CN104395703A - 超声波流动测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及流动测量，更具体地，涉及一种通过使导管内的多个侧线在三维上互相交叉来测量流率的系统。根据本发明的超声波流动测量系统通过使导管内的多个侧线在三维上互相交叉来从三维上确定流体的流动中心部位，并计算导管内流动、符合流动中心部位的流率，从而比现有的方法更准确地测量流率。

Description

超声波流动测量系统

技术领域

本发明涉及流动测量，更具体地，涉及一种通过使导管内的侧线彼此交叉来测量流率的系统。

背景技术

通常，管理流体的流率所必需的工业场所使用流量计来测量导管内的流率。已公开了各类测量在导管内流动的一定量的流体的技术。代表性的实例可包括容积流量计、电磁流量计、质量流量计、涡轮流量计、差压式流量计等。最近，用于测量超声波运动时间以得到线性平均流速并计算出流率的超声波流量计作为弥补现有流量计的不足的技术受到关注。根据使用超声波流量计的流动测量原理，流率可以基本上基于流体的平均流速和充满该流体的导管的垂直横截面面积得到。这将在下文中另外说明。

图1示出用于描述超声波流量计的流动测量原理的示意图，图2示出导管内流体的流动形式，而且图3示出导管内对应于超声波路径的数量的侧线的数量，并示出各个侧线不相互交叉。

首先，如图1中所示，当具有直径D的导管以角度θ设置有一对超声波传感器1和2时，当没有流体流动时超声波传感器1和超声波传感器2之间的超声波运动时间t可以由下面的数学方程1来定义。

[数学方程1]

$t=\frac{d}{C}$

在上述数学方程1中，t表示超声波运动时间，d代表超声波传感器1和超声波传感器2之间的距离，而且C表示超声波运动速度，以米/秒表示。

当流体以速度v在导管内流动时，可以得到如下的超声波运动时间。

首先，当超声波运动方向和流体的流动方向相同时，例如，当超声波从超声波传感器1传送并且流体从左向右运动时，超声波运动时间t₁取决于下列数学方程2，

[数学方程2]

$t_1=\frac{d}{C+v\cos \mathrm{\θ}}$

并且当超声波运动方向和流体的流动方向彼此相反时，也就是说，当从流体从左向右运动并且超声波从超声波传感器2传送时，超声波运动时间t₂取决于于下列数学方程3。

[数学方程3]

$t_2=\frac{d}{C-v\cos \mathrm{\θ}}$

在上述数学方程2和数学方程3中，t₁和t₂代表超声波运动时间，d代表传感器之间的距离，C代表超声波运动速度，以米/秒表示，v代表超声波路径的流体速度，并且θ表示超声波传感器1和超声波传感器2之间的安装角。

在上述数学方程2和数学方程3中，从1/t₁中减去1/t₂之后布置流体速度v，其是该超声波运动的往复次数，成为以下的数学方程4。

[数学方程4]

$v=\frac{d}{2\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

导管中流动的流率Q可以是基本上由流体的平均速度乘以充满该流体的导管的垂直横截面面积的乘积计算。为了将流体速度v转换为在导管的横截面中流动的流体的平均速度超声波路径的流体速度需要除以补偿因子。在这种情况下，导管中流动的流率可通过下面的数学方程5计算。

[数学方程5]

$Q=\frac{v}{k}\frac{\mathrm{\π}\·D^2}{4}$

通过上述数学方程5中的补偿因子k补偿超声波路径的流体速度v的理由是，如图1中所示，超声波传感器1和超声波传感器2彼此相对的轴线上的流速是线性平均流速但流速分布存在于导管中，因此该流速不同于在导管的横截面中流动的流体的平均流速。因此，只有当线性平均流体速度v需要在导管的横截面中流动的流体的平均速度来补偿时，流动测量的误差才可被减少。

然而，在使用通常用于补偿线性平均流体速度v的补偿因子k的情况中，由于假定所测量的轴线(对应于超声波路径)如图2(a)所示地穿过所述导管的中心，并且流速分布具有对称于被测量的轴线的理想分布，当实际的流动速度分布是偏置的(不对称的)时，如图2(b)或图2(c)所示，补偿误差也只可能是大的。存在增加被测量的轴线(称为侧线)的数量的方法，以将补偿误差的影响减少至2或4，如图3所示，从而计算平均流体速度。但是，由于超声波传感器被布置成使得各侧线如图3的右方所示被布置成平行的，导致如图3所示的常规超声波流量计可能无法同时测量轴线之间的流体速度。因此，具有如图3所示布置的超声波传感器的超声波流量计可能无法同时补偿由于漂移电流引起的误差。当通过无限地增加侧线的数量来测量导管的整体内部时，即使存在漂移电流，也可以减小所述测量误差，这在物理上是不可能的。作为参考，在图2中，导管内的虚线代表在相同的横截面中流体的速度是相同的。

同时，在超声波流量计中产生误差的因素之一是导管的振动或周围超声波传感器的传递振动。也就是说，即使当由周围的因素产生的振动会沿着由金属制成的导管的壁面影响超声波传感器1和超声波传感器2时，也会产生流动的测量误差，因此，需要一种使因导管的振动引起的误差最小化的方法。

发明内容

[技术问题]

考虑到上述情况，本发明的一个目的是提供一种超声波流动测量系统及其方法，所述方法能够通过使导管内的多个侧线互相交叉估计导管内所有方向上的漂移电流来更准确地测量流率，所述多个侧线是超声波路径。

此外，本发明的另一目的是提供一种能够通过确定导管内的流动中心以及测量符合所确定的流动形式的流率来使流动测量误差最小化的超声波流动测量系统。

另外，本发明的另一个目的是提供一种超声波流动测量系统及其方法，所述方法能够通过使因外部振动引起的噪音的影响最小化来更准确地测量流率。

[技术方案]

为了实现上述目的，根据本发明的一个实施方案，存在一种超声波流动测量系统，其包括：

第一超声波传感器组，其包括至少两对相对地安装于导管内的通道中的超声波传感器，从而产生多个侧线，其中侧线通过接收和传送超声波传感器对的信号形成；

第二超声波传感器组，其包括至少两对相对地安装在所述通道中的超声波传感器，以产生多个与由包括在所述第一超声波传感器组中的超声波传感器产生的多个侧线三维交叉的侧线；和

流动操纵器，其被构造成基于通过包括在所述第一超声波传感器组和所述第二超声波传感器组中的每个超声波传感器的超声波接收/传送信号获得的多个线性平均流速数据计算导管内流动的流率。

此外，包括在所述第一超声波传感器组和所述第二超声波传感器组中的每个超声波传感器可以被布置成平行于包括在每个组中的超声波传感器，并且所述超声波传感器组中的每个组可以包括四对超声波传感器。

进一步地，包括在每个传感器组中的超声波传感器可以相对地安装在所述通道中，以使得由所述第一超声波传感器组产生的侧线和由所述第二超声波传感器组产生的侧线之间的交叉角具有从30°到90°中的任意一个值。

每个超声波传感器可以插入到待被插入的传感器保护管的传感器壳体部分中，并固定在通过穿透所述导管的外壁形成的传感器插孔中，而且所述传感器保护管的外壁是由基于Fe-Mn的阻尼合金组成。

[有益效果]

如上所述，根据本发明的实施方案，超声波流动测量系统可通过使导管内的多个侧线在三维上互相交叉来确定流体的流动中心部位，并计算导管内流动的流率，从而能够比现有的方法更准确地测量流率。

此外，根据本发明的实施方案，超声波流动测量系统的传感器保护管的外壁可以由基于Fe-Mn的阻尼合金制成，以阻止相邻的超声波传感器的振动或管子的振动被传播，从而能够相对减少由于外界因素引起的流动测量误差。

附图说明

图1是用于描述超声波流量计的基本的流动测量原理的示意图。

图2是示出了导管内的流体的流动形式的示意图。

图3是示出了导管内对应于超声波路径的数量的侧线的数量并示出了各个侧线不相互交叉的示意图。

图4是从三维上示出了根据本发明的一个实施方案被安装在导管中的多个超声波传感器的示意图。

图5是描述了如图4所示安装在导管10中的多个超声波传感器26的角度和布置状态，以及通过每个超声波传感器26产生的侧线的示意图。

图6是用于描述根据本发明的该实施方案的超声波传感器保护管的结构和入射角的示意图。

图7是示出了根据本发明的该实施方案在导管10内形成的侧线的布置和流体的流动中心的示意图。

图8是示出了每种材料的振动阻尼特性的示例性的对比示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地说明本发明的优选实施方案。

图4是从三维上示出了根据本发明的一个实施方案被安装在导管10中的多个超声波传感器26的示意图，并且图5是描述了如图4所示安装在导管10中的多个超声波传感器26的角度和布置状态，以及具有通过每个超声波传感器26产生的点阵结构的侧线的示意图。图6是用于描述根据本发明的该实施方案的超声波传感器保护管的结构和入射角的示意图。

首先，如图4所示，根据本发明的该实施方案的超声波流动测量系统包括第一超声波传感器组26a，所述第一超声波传感器组包括至少两对、在该实施方案中为四对互相平行布置、并且通过穿透导管10的外壁相对地安装在导管10内的通道中的超声波传感器26。通过超声波传感器26的接收/传送信号在彼此相对的一对超声波传感器26之间产生一个侧线。因此，四个贯穿流体的侧线可以通过具有四对彼此相对的超声波传感器26的第一超声波传感器组26a形成于导管10中。作为参考，所述侧线具有与超声波路径相同的含义，并且因此为了便于解释，下文中将述超声波路径称为所述侧线。

除了第一超声波传感器组26a之外，根据本发明的该实施方案的超声波流动测量系统还包括第二超声波传感器组26b，所述第二超声波传感器组包括另外四对被相对地安装在所述通道内的超声波传感器，以生成多个与由包含在第一超声波传感器组26a中的超声波传感器产生的多个侧向三维交叉的侧线。如图5(b)所示，包括在第一超声波传感器组26a和第二超声波传感器组26b中的每个超声波传感器26可以布置成平行于包括在每个组中的相邻的超声波传感器。尽管本发明的实施方案描述了超声传感器组26a和超声传感器组26b各自包含四对超声波传感器26，但这仅仅是个实例。因此，超声波传感器26的数量可以相对于导管10的直径成比例地升高和降低。

最重要的事实是，为了更准确地补偿由于导管10内的漂移电流引起的误差，需要布置超声波传感器26，使得由第一超声波传感器组26a和第二超声波传感器组26b各自产生的侧线在导管10内在三维上彼此交叉。为此目的，根据本发明的该实施方案，如图5(b)中所示，超声传感器组26a和超声传感器组26b中各自包含的超声波传感器26相对地安装在通道中，以使得由第一超声波传感器组26a产生的侧线a和由第二超声波传感器组26b产生的侧线b之间的交叉角θ具有从30°到90°的任意一个值。在这种情况下，如图5(a)或图6所示，每个超声波传感器26插入到通过穿透导管10的外壁形成的传感器插孔14中，并且具有从20°至70°的任意一个值。

另外，每个超声波传感器插入到待被插入的传感器保护管22的传感器壳体部分24中，并固定在通过穿透导管10的外壁形成的传感器插孔14中，而且传感器保护管22的外壁28优选是由基于Fe-Mn的阻尼合金制成，以阻止相邻的超声波传感器26的振动或管子的振动被传播。

与此同时，根据本发明的该实施方案的超声波流动测量系统进一步包括流动操纵器，其被构造成基于通过包括在第一超声波传感器组26a和第二超声波传感器组26b中的每个超声波传感器26的超声波接收/传送信号获得的多个线性平均流速数据计算导管10内流动的流率。根据本发明的该实施方案，所述流动操纵器通过将八个线性平均流速数据之和乘以导管10的内部横截面面积和重量Wi计算流率Q。另外，所述流动操纵器可以基于具有所述多个(八个)线性平均流速数据中的最大值的侧线的位置来确定导管10内的流动形式，然后通过内部存储器读取符合所确定的流动形式的重量Wi以计算流率。

所述流动操纵器可以被构造成进一步包含控制器和通道控制流量计的操作的存储器，以及用于处理来自每个传感器的信号输出的放大、噪音的去除以及数字信号的信号处理器。

作为参考，所述流动操纵器可以通过将重量Wi乘以每个线性平均流速数据、然后将其总和乘以导管10的内部横截面面积计算流率Q，如下述数学方程6中的那样。作为参考，重量Wi通过已知的数值积分方法确定为关于根据超声波传感器26的安装位置而变的侧线的加权因子，所述加权的线性平均流速通过重量Wi乘以在每个路径中测得的线性平均流速的乘积获得，并且在导管的横截面中流动的流体的平均速度通过加权的线性平均流速获得。通过将导管10的横截面面积乘以获得的在导管10的横截面中流动的流体的平均速度可以更准确地计算出流率Q。

重量Wi是先前通过实验获得的值并且是被储存和使用在所述流动操纵器的内部存储器中的值。

[数学方程6]

$Q=\left(\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}\right)\underset{i=0}{\overset{7}{\mathrm{\Σ}}}\{W_i\·\left(\frac{1}{2}\frac{1}{\cos {\mathrm{\θ}}_i}\frac{d_i\mathrm{\Δ}{t}_i}{t_{1i}{t}_{2i}}\right)\}$

在上述数学方程6中使用的因子与在上述的数学方程中引用的因子相同。也就是说，D代表导管10的直径，d代表传感器之间的距离，并且i代表8个侧线。

如以上所描述的，根据本发明的该实施方案，当包括在第一超声波传感器组26a和第二超声波传感器组26b的每个超声波传感器26如图4和图7中所示被相对地安装在导管10内的通道中时，如图7所示，通过形成对的超声波传感器26之间的被接收的超声波信号和被传送的超声波信号在水平方向和垂直方向上形成四个侧线a和b。由于侧线a和b彼此交叉，即使在导管1O内产生如图7所示的漂移电流，所述流动中心也可以通过在三维上彼此交叉的部分侧线a和b检测到。

因此，尽管流体的流动中心在导管10内的各个方向不成比例地流动，但是偏置的流动中心部分的值被检测到以被反映至流动计算中。因此，可以准确地计算出相比于现有方法具有相对较小的误差值的流率Q。

同时，根据本发明的该实施方案，所述超声波流动测量系统的每个超声波传感器26的传感器保护管的外壁28可以由基于Fe-Mn的阻尼合金制成，以阻止相邻的超声波传感器的振动或管子的振动被传播，因此能够相对地减少因外界因素引起的流动测量误差。

另外，将参照图8描述由所述基于Fe-Mn的阻尼合金制成的传感器保护管22的外壁28，图8是振动阻尼特性的对比示意图。首先，图8示出了特性曲线，其中当将具有相同尺寸的外部振动施加于所述基于Fe-Mn的阻尼合金a和普钢b时，振动的尺寸随着时间推移而减少。如所示出的那样，相比于普钢，所述基于Fe-Mn的阻尼合金随着时间推移而表现出突然吸收外部冲击的特性。因此，当所述基于Fe-Mn的阻尼合金被用作传感器保护管22的外壁材料时，外部振动被迅速阻尼，而且因此通过超声波传感器26(更具体而言，为压电元件)稳定地产生超声波，由此减少流动测量误差。

如上所述，尽管本发明将参照在附图中示出的实施方案例进行说明，但这仅仅是个实例。因此，本领域技术人员将理解可以存在来自本发明的不同改变和等同的其他实施方案。因此，本发明的实际技术保护范围必须通过所附的权利要求的精神来决定。

Claims (7)

1.一种超声波流动测量系统，其包括：

第一超声波传感器组，其包括至少两对相对地安装于导管内的通道中的超声波传感器，从而产生多个侧线，其中侧线通过接收和传送超声波传感器对的信号形成；

第二超声波传感器组，其包括至少两对相对地安装在所述通道中的超声波传感器，以产生多个与由包括在所述第一超声波传感器组中的超声波传感器产生的多个侧线交叉的侧线；和

流动操纵器，其被构造成基于通过包括在所述第一超声波传感器组和所述第二超声波传感器组中的每个超声波传感器的超声波接收/传送信号获得的多个线性平均流速数据计算所述导管内流动的流率。

2.如权利要求1所述的超声波流动测量系统，其中，包括在所述第一超声波传感器组和所述第二超声波传感器组中的每个超声波传感器被布置成平行于包括在每个组中的相邻的超声波传感器。

3.如权利要求2所述的超声波流动测量系统，其中，所述第一超声波传感器组和所述第二超声波传感器组中的每个组包括四对超声波传感器以分别产生四个侧线。

4.如权利要求2所述的超声波流动测量系统，其中，包括在每个传感器组中的超声波传感器相对地安装在所述通道中，以使得由所述第一超声波传感器组产生的侧线和由所述第二超声波传感器组产生的侧线之间的交叉角具有从30°到90°中的任意一个值。

5.如权利要求2所述的超声波流动测量系统，其中，相对地安装在所述通道中的每个超声波传感器被插入到通过穿透所述导管的外壁形成的传感器插孔中，并具有从20°到70°中的任意一个值的入射角。

6.如权利要求2所述的超声波流动测量系统，其中，每个超声波传感器插入到待被插入的传感器保护管的传感器壳体部分中，并固定在通过穿透所述导管的外壁形成的传感器插孔中，而且所述传感器保护管的外壁是由基于Fe-Mn的阻尼合金制成。

7.如权利要求1至6中任一项所述的超声波流动测量系统，其中，所述流动操纵器通过将重量Wi乘以通过每个超声波传感器的超声波接收/传送信号获得的多个线性平均流速数据中的每个数据、然后将其总和乘以所述导管的内部横截面面积计算流率Q。