专利名称：用于测量管道中的流体的流量特性的设备和方法
技术领域：
本发明涉及超声波流量测量，特别地，涉及用于测量例如管道中的流体的流速和/ 或吞吐量等流量特性的设备和方法。
背景技术：
在管道中流动的流体的超声波流量测量在本领域中是公知的。主要地，其包括在 发射机和接收机之间传送超声波(ultrasonic sound wave)，在管道的轴向上、在流体流动 的下行(downstream)方向上及在流体流动的上行(upstream)方向上将发射机和接收机隔 开。测量超声波的通行时间。通过下行方向的超声波和上行方向的超声波的通行时间的差 别，可以基于管道的已知几何结构来计算平均流速或吞吐量。该流体是例如天然气等气体、 水蒸气或液体。除了流速，所测量的通行时间还依赖于管道中的流体的流动剖面。涡旋、横流 (cross flow)、剖面不对称及速度随时间波动是理想流动剖面的已知的畸变，在弯曲等之 后，该种畸变实际上经常发生，例如发生在复杂的管道系统结构中。所测量和计算的流速的最终可靠性依赖于许多参数，如所覆盖的距离、声波路径 配置、所传送的超声波类型及计算方法本身。现有技术中已知许多声波路径配置。已知的声波路径配置之一是具有中间半径弦(midradius chord)的三角形路 径，其中，由发射机发射的超声波在由接收机接收之前在内侧管道壁上反射两次。例如， US-A-5, 546, 812已经公开了一种用于确定通道中的介质的流动特性的方法和设备，包括限 定了对于涡旋确定的互相偏移的两个三角形路径以及对于不对称确定的也互相偏移的三 个单个的反射轴路径的变换器装置。根据该专利的商业上可利用的流量仪表中，第一三角 形路径具有顺时针方向的定位，第二三角形路径具有逆时针方向的定位。尽管这些已知设备的优良性能已被公认，但是某些测试已经显示出，在特定流速 以及例如涡旋角和源于涡旋路径的不对称或它们的组合等诊断信息中，所测量的特性的准 确性在某些情况下仍有待提高。如果在某个方向上存在不对称或如果流动剖面沿着三角形 声波路径的轴向距离改变，则该情况特别明显，从而影响流量测量准确性。使用这些已知设 备，不可能将该种影响充分补偿或消除到可接受的等级。此外，总地来说，对于降低流量仪 表的不确定性和提高流量仪表的准确性的要求仍然在增加。因此，存在对于提高超声波流 量仪表的准确性并降低其不确定性的持续的需要。

发明内容
本发明的目的是提供一种超声波流量测量设备和方法，即使在流动剖面是不对称 和/或流动剖面在声波路径(特定地，三角形路径中)的轴向距离发生改变的情况下，该设 备和方法也具有改善了的准确性。因此，在权利要求1和权利要求5中分别限定根据本发明的用于测量管道中的流 体的流速的设备和方法。
简言之，根据本发明的设备包括管道体和至少四对超声波变换器，其中，每一对限 定了涡旋感测声波路径。在管道的轴向上沿着平行于管道轴的假想的线间隔地布置每一对 的变换器。具有沿着管道体的相同侧上的假想的线的变换器的两个涡旋感测声波路径形成 一对声波路径，下文也将其称为成对路径。根据本发明的设备包括两组成对路径，沿着不同 的平行线设置这两组成对路径。变换器能够单独作为发射机和接收机以沿着它们各自的声 波路径传送超声波并将其接收。该设备还包括用于测量所传送的超声波的通行时间并用于 根据所测量的通信时间确定流量特性的部件。在更具体地描述中，根据本发明的设备包括通常具有内部环形的截面的管道体。 在管道体的侧壁上或在管道体的侧壁内设置能够发射超声波并接收超声波的变换器。测量 部件能够从变换器接收信号，测量部件确定沿着由变换器对限定的各种声波路径传送的声 波的通行时间。计算部件可以使用算法将通行时间加工为所希望的特性，特别地，所希望的 特性是流速、涡旋、不对称、诊断信息和/或吞吐量。在根据本发明的设备中，沿着平行于管 道轴的第一线在管道体的轴向上互相间隔开的位置上布置第一对超声波变换器，并且控制 第一对超声波变换器从而在它们之间建立第一涡旋感测声波路径。因此，第一涡旋感测声 波路径在管道体的轴向方向上延伸。沿着第二线以互相相距某轴向距离布置第二对超声波 变换器，优选地，在第一线的位置上进行布置，从而超声波变换器之间具有第二涡旋感测声 波路径，但是在相同的轴向方向上看第二涡旋感测声波路径位于与第一涡旋感测声波路径 相对方向。这表示在轴向方向上第一和第二涡旋感测声波路径共同具有顺时针方向(CW) 和逆时针方向(CCW)。沿着一个并且从一对变换器中的每一个变换器传送超声波的相同的 声波路径从下行和上行方向将辨别哪些是CW和CCW方向的波。如已经说明的，在管道替的 相同侧上具有变换器的两个声波路径形成成对路径。第一和第二声波路径共同形成第一组 成对路径。优选地，在理想情况下，分别布置第一和第二涡旋感测路径的变换器，从而各个 声波路径具有相同的开始位置和相同的结束位置，但是沿着不同的方向而行，如从相同的 观察点看到的，一个沿着顺时针方向，一个沿着逆时针方向。实际上，第二对变换器关于第 一对变换器轴向上偏移相同的长度。以类似的方式，沿着与第一和第二线切线交错的第三 和第四线分别设置第三对和第四对变换器，每一对变换器限定不同方向上的涡旋感测声波 路径。优选地，第三和第四线处于相同的位置。第三和第四路径形成第二组成对路径。优选地，顺着设置两个成对路径的变换器的两条线在切线上交错180°，换句话 说，两组成对路径处于管道的相对侧。优选地，布置变换器从而两对成对路径建立充分交替 的对称路径布局，更优选地，两对成对路径产生镜向对称路径布局，即，每一个涡旋感测声 波路径具有镜向对称的相对变换器。涡旋感测路径的目的是能够检测涡旋(横流)。涡旋感测声波路径一般包括相对 于管道体的内壁的两次或更多次反射。在优选实施例中，涡旋感测声波路径在轴向投影中 是三角形声波路径(因此是具有两次反射的路径)，更优选地是等边三角形，该等边三角形 具有是在环形管道体中的中间半径弦的边。为了简便，将使用优选的三角形路径配置描述 本发明。在三个不同的平面中沿着三角形的三个边测量三角形路径。为了提高准确性并能 够充分补偿在管道通路的轴向方向上的任意流动剖面的改变，对平面中的每一个边提供映 射的边。因此，在根据本发明的设备中，从上述现有技术设备中知道的每一个涡旋感测路径具有其自身利益的对称路径。因此，每一个顺时针方向的涡旋感测路径具有逆时针方向的 涡旋感测路径。由于声波路径的非常对称的布置，根据本发明的设备，无论沿着管道体的轴 向长度的流动剖面的畸变形状和变化如何，都能够补偿不对称涡旋、不对称以及横流的影 响。从而，与现有技术中的设备相比较，本设备更加不会受到不对称涡旋和轴向方向上的剖 面改变的影响。测量沿着下行和上行方向中的四个路径传送的超声波的通行时间。所测量出的时 间可以用于计算通过管道的流体的流量特性。有利地，例如使用完全补偿流动剖面的任意 不对称或轴向改变的四个路径的所测量出的时间的平均值，来确定流速和/或吞吐量中的 至少一个。可以使用这样测量出的通行时间以及它们的组合以建立例如流动剖面的形状。除了以上效果，声波路径的数量的增加提高了可重复性。即使如果一个声波路径 出现故障，退一步也可以使用基于现有技术的设备和方法。在优选实施例中，第一声波路径和第二声波路径具有相同的长度。更优选地，互相 沿直径布置第一和第二组成对路径中的变换器。从而在该优选实施例中，在互相相对的两 条线中对管道体设置所有的变换器，并如在纵向投影中所看到的，第一组成对路径中的变 换器的位置与第二组成对路径中的变换器的位置重叠。由于在一组成对路径中的变换器的 优选的小的轴向位移或即使变换器的位置相同，因此可以降低额外的变换器的外壳、线缆 等的成本。优选地，对成对路径的上行和下行变换器使用单个的多面类型的变换器。将理 解，根据本发明在设备中可以呈现使用合适数量的附加的多对变换器的一个或多个附加的 声波路径。例如，可以增加通过管道体的轴的单个反射路径。在优选实施例中，沿着单条线布置成对路径的多对变换器，从而沿着沿管道体侧 面的两条线设置成对路径的变换器对组，例如在从上方看分别为-90°和+90°的角处进 行设置。根据本发明的方法包括步骤沿着由第一对变换器限定的涡旋感测声波路径、沿 着由第二对变换器限定的第二涡旋感测声波路径沿着由第三对变换器限定的第三涡旋感 测声波路径以及沿着由第四对变换器限定的第四涡旋感测声波路径发送并接收超声波。以 互相距离某轴向距离来布置变换器对中的变换器。从而，声波路径在管道的轴向方向上延 伸，流体在该方向上流动。在管道体壁的第一和第二条线上布置第一和第二声波路径中的 变换器，这些线平行于管道体轴并位于该轴的相同侧。第一和第二声波路径包括CW和CCW 轨迹作为第一组成对路径。类似地，在管道体壁的第三和第四条线上布置第三和第四声波 路径中的变换器，这些线也平行于管道体轴，但是关于第一和第二条线在切线上交错。优选 地，成对线在直径上互相相对。由第三对变换器和第四对变换器限定的第三和第四路径包 括CW和CCW轨迹作为第二组成对路径。优选地，布置变换器从而第二组成对路径与第一组 成对路径对称。镜向对称的布局是最佳的实施例。根据在接收变换器上接收到的信号来确 定通行时间。对于每一个声波路径确定的通行时间可以被用在例如流速和/或吞吐量等流 量特性的计算中，以搜集关于实际流动剖面的特定信息，如涡旋、横流、剖面不对称和剖面 轴向方向上的改变。关于根据本发明的设备上述描述的优选实施例可同样地应用于根据本发明的方 法。有利地，沿着上行和下行方向上的声波路径传送声波，各个变换器可替换地用作发射机 和接收机。


参考附图，将更具体地说明本发明，其中图1示出根据现有技术具有涡旋感测的流量仪表的实施例的纵向投影；图2在立体图中示出图1中的实施例的声波路径；图3是图1中的实施例的声波路径的轴向投影；图4示出并非根据本发明的具有涡旋感测路径的流量仪表的另一实施例的纵向 截面；图5示出图4中的实施例的声波路径的轴向投影；图6在立体图中示出根据本发明的设备的实施例；图7示出在图6中示出的实施例的声波路径的轴向投影；及图8示出在图6中示出的实施例的纵向投影。
具体实施例方式图1示出具有内壁12和外壁14的圆柱形管道体10。例如天然气等流体沿着由 箭头表示的方向流过管道体10的内部。在外壁14的顶部上布置第一对变换器16和18， 变换器16和18互相距离轴向距离I。上行第一变换器16和下行第一变换器18 —起限定 包括相对于内壁12的两次反射(等边三角形)的第一涡旋感测声波路径20 (实线)。如从 图2清楚看到的，第一涡旋感测声波路径20具有沿流体的流动方向上看到的顺时针方向。 在外壁14的底部上与第一对变换器相对地(切线地交错(staggered tangentially)大约 180° )布置第二对变换器22和M。上行第二变换器22和下行第二变换器M —起限定具 有相对于内壁12的两次反射的第二涡旋感测声波路径沈(虚线)，从而具有等边三角形的 形状。从图2清楚地看到，该第二声波路径沈具有沿流动方向上看到的逆时针方向配置。 从图1和3清楚地看到，CW路径20不能达到位于水平边20b下面的管到部分。类似地，CCW 路径26不能达到位于水平边26b上面的管道部分。假设沿着χ轴的不对称的流动剖面在 正的ζ轴(即，管道体的上半部分)具有较高速度，则由于沿着CCW路径沈在管道体的上 半部分中传送的超声波的行进长度(假设等变三角形路径具有总长度幻是5/3 ( = 1 (边 26c) +1/3 (边^a) +1/3 (边^c))，而CW路径仅覆盖管道体的上半部分中的4/3的长度，因 此CCW路径沈“经历”了比CW路径20更多的较高速度。在流速低于上半部分的流速的管 道体的下半部分中，与CCW路径的4/3相比较，CW路径20经历了大于5/3长度的更多的较 低流速，因此补偿了 CCW路径示数的加权。从而，两个路径20和沈的平均流速将具有良好 的准确性。然而，当比较沿着CW和CCW路径在相同的流动方向上发出的超声波的单个通行 时间之间的差异时，结果被解释为涡旋形流动而不是对称流动。现在，图4和5示出在管道体10的相同侧上沿着与管道平行的假想线设置变换器 16、18和22、24的情况。为了说明的目的，与限定了 CW三角形路径20的第一变换器16、18 的位置相比较，使具有CCW三角形路径沈的第二变换器22、M的位置轴向偏离。路径20和 26不沿着y轴镜向对称。在该配置中，路径20和沈都不能达到边20b和26b下面的管道 体10的下面的部分。再次，假设不对称的流动剖面在管道体10的上半部分(正的ζ轴)中 具有较高的流速，则CW和CCW路径中的每一个的行进长度在管道体10的下半部分是5/3，同时，对于每一个路径，在上半部分中的行进长度是4/3。在该配置中，从在相同方向中沿着 两个路径传送的声波的单个通行时间中不能检测出涡旋。然而，在从沿着上行和下行方向 中的两个部分的通行时间计算平均流速时，将加重较低的流速，从而造成实际流速的低的 读数(underreading) 0因此，如果在各种变换器的位置之间的轴向方向上存在不对称的流量或流动剖面 改变，则在实际流动剖面的确定或流速的计算的假定情况下，这将造成预期的流量特性的 较不准确的确定。图6示出根据本发明的设备的实施例。根据本发明的流量仪表的该实施例包括具 有内壁112和外壁114的圆柱形管道体110。对外壁114设置第一对变换器116和118，变 换器116和118互相距离轴向距离I。第一变换器116和118的位置位于与管道轴(y轴) 平行的假想的第一线上。变换器116和118限定在顺时针方向上轴向延伸的、具有等边三 角形形状的第一涡旋感测声波路径120(以实线绘制)。在沿着相同线的位置上还对外壁 114设置第二对变换器122和124，在图6所示的情况下是设置在与第一对变换器相同的位 置上。变换器122和124限定在逆时针方向上轴向延伸的、具有等边三角形形状的第二涡 旋感测声波路径126(点划线)。沿直径与第一和第二对变换器中的变换器116、118、122和 124相对，布置第三对变换器1 和130和第四对变换器132和134。在第三对变换器1 和130之间限定的第三涡旋感测声波路径136 (虚线)与第一声波路径120镜向对称。第三 涡旋感测声波路径136以逆时针方向在管道体110的纵方在延伸并具有等变三角形形状。 第四对变换器132和134限定具有等边三角形形状的第四涡旋感测声波路径138(点线)。 第四路径138与第二声波路径1 镜向对称。从而，四个声波路径120、1沈、136和138具 有对称的布局。图7和8示出其纵向投影和轴向投影，其中，第一变换器116和118的位置关于第 二变换器122和IM的位置轴向偏离，并且位于以非常小的角度切向偏离的不同的线上，由 于变换器的间隔要求，因此这是在实际中经常遇到的情况。此外，根据本发明的设备的本实 施例包括被连接到变换器以及测量部件142和计算部件144的控制部件140，控制部件140 包括用于控制超声波的猝发(burst)和发射的计时电路(未单独示出)，测量部件142用于 根据从变换器接收到的信号测量通行时间，计算部件144用于计算例如流速等流体的流量 特性。为了清楚，仅在图7中示出这些部件。由于每一个涡旋感测声波路径具有完全镜向对称的相对变换器，因此可以充分补 偿和/或消除流动剖面的不对称和轴向改变。下面的表格比较了以上示出的各种声波路径配置的性能以确定某些流量特性。比较表
权利要求
1.一种用于确定管道中的流体的流量特性特别是流速的设备，所述设备包括管道体 (110)、限定第一涡旋感测声波路径(120)的第一对超声波变换器(116，118)、限定第二 涡旋感测声波路径(126)的第二对超声波变换器(122，1M)、限定第三涡旋感测声波路径 (136)的第三对超声波变换器(1 ，130)、限定第四涡旋感测声波路径(138)的第四对超声 波变换器(132，134)，沿着管道体(110)壁(114)上的第一线和第二线设置第一对和第二对超声波变换器 (116，118 ;122，1M)，第一和第二线平行于管道轴并且位于管道体(110)的同侧，从轴向方 向看第一和第二涡旋感测声波路径(120，126)分别具有顺时针方向和逆时针方向的取向， 沿着平行于管道轴的管道体(110)壁(114)上的第三线和第四线设置第三对和第四对超声 波变换器(1 ，130 ;132，134)，从轴向方向看第三和第四涡旋感测声波路径(136，138)分 别具有顺时针方向和逆时针方向的取向，第三和第四线位于管道体(110)的同侧并且关于 第一和第二线切线地交错，在管道体(110)的轴向方向上相隔布置每一对变换器中的变换 器(116，118 ；122，124 ；128，130 ；132，134)，声波路径(120，126，136，138)在管道体(110) 的轴向方向上延伸，其中，变换器(116，118 ；122，124 ；128，130 ；132，134)能够单独用作发 射机和接收机以沿着各自的声波路径发送超声波和接收超声波，所述设备还包括用于测量所发送的超声波的通行时间并用于根据所测量的通行时间 确定流量特性的部件(142，144)。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二线位于相同的位置，所述第三和 第四线位于相同的位置。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述第一和第二线在直径上与所述第三和第 四线相对。
4.根据上述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，成对的第一和第二声波路径 (120,126)对称于成对的第三和第四声波路径(136，138)。
5.根据上述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，涡旋感测声波路径(120， 126，136，138)包括等边三角形声波路径。
6.根据上述权利要求中任一权利要求所述的设备，其中，将成对路径中的多个变换器 组合成单个的多面变换器。
7.一种测量管道中的流体的流量特性特别是流速的方法，该方法包括通过沿着第一、 第二、第三和第四涡旋感测声波路径(120,1 ，136，138)以相对方向发送和接收超声波， 测量所发送的超声波的通行时间并根据所测量的通行时间确定流量特性，特别是流速和/ 或吞吐量，所述声波路径(120，126，136，138)在相关的多对超声波变换器(116，118 ;122，124 ； 128,130 ；132，134)之间的管道的轴向方向上延伸，在管道的轴向方向上相隔布置每一对 变换器中的变换器(116，118 ；122，124 ；128，130 ；132，134)，沿着管道壁上的第一线和第二 线设置第一对和第二对超声波变换器中的超声波变换器(116，118 ；122,1 )，第一和第二 线平行于管道轴并且位于管道的同侧，从轴向方向看第一和第二涡旋感测声波路径(120， 126)具有顺时针方向和逆时针方向的取向，第三对超声波变换器(1 ，130)限定第三涡旋 感测声波路径(136)，第四对超声波变换器(132，134)限定第四涡旋感测声波路径(138)， 沿着平行于管道轴的管道壁上的第三线和第四线设置第三对和第四对超声波变换器中的超声波变换器(1 ，130 ;132，134)，从轴向方向看第三和第四涡旋感测声波路径(136， 138)分别具有顺时针方向和逆时针方向的取向，第三和第四线位于管道的同侧并且关于 第一和第二线切线地交错，在管道的轴向方向上相隔布置每一对变换器中的变换器(116， 118 ；122，124 ；128,130 ；132，134)，声波路径(120，126，136，138)在管道的轴向方向上延 伸，其中，变换器(116，118 ；122，124 ；128，130 ；132，134)能够单独用作发射机和接收机以 沿着各自的声波路径发送超声波和接收超声波。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，涡旋感测声波路径(120，126，136，138)包括等边 三角形声波路径。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，在上行和下行方向上沿着声波路径发送所述 声波，各个变换器交替地用作发射机和接收机。
全文摘要
本发明提供一种用于确定管道中的流体的流量特性特别是流速的设备，该设备包括管道体(110)、限定涡旋感测声波路径(120，126，136，138)的至少四对超声波变换器(116，118；122，124；128，130；132，134)。布置超声波变换器以使它们限定成对的声波路径。该社被还包括用于测量所传送的超声波的通行时间并用于根据所测量的通行时间确定流量特性的部件(142，144)。
文档编号G01F1/66GK102135441SQ20101023611
公开日2011年7月27日 申请日期2010年7月21日 优先权日2009年7月23日
发明者阿尔然·斯泰豪沃 申请人:埃尔斯特股份有限公司