专利名称：夹合式气体流量计的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量气体流速的方法及装置；具体地说涉及一种利用非侵入式的夹合式流量计测量管道中气流的装置及方法。
背景技术：
过渡时间超声波气体流量计已为公知。图1给出了一种常规的气体流量计，其中传感器经过管壁上的孔直接引入到气体中。由于管道中的压力一般很高，通常在几个至几百个大气压之间，因此有必要在传感器的周围采用压力密封以防止气体泄漏。由于传感器本身也必须承受压力，因此其必须坚硬并具有较高的密度。因为声阻直接取决于材料的密度，即ZS＝材料密度×声音的传播速度，因此传感器/管道的界面表现出与较低的气体声阻不相匹配的较高声阻。相应地，将声能引入到气体中的效率较低。为了克服该低效率，有必要在发射传感器100的发射表面生成一个强脉冲。由于传感器的高阻抗与管壁阻抗的相互匹配，使得传感器体内大量能量通过压力密封优先进入与传感器体连接的管120。
一旦该能量进入到管壁，其将直接通过管壁到达接收传感器110。与接收传感器110接收到的气体信号强度相比，发射能量的幅度要高得多，且由于在管壁间断面之间的反射，发射能量在管中的滞留时间过长。从而非常小的气体接收信号幅度模糊不清。这使得流体效应中接收气体信号过渡时间的检测由于较低的信噪比变的困难或不可能。
在一个解决方案中，侵入式气体传感器装配有用于将到达传感器的位置之前没有传送给气体的声能驱散到管壁压力密封的内部装置。金属和粘性弹性件的结合物可以用来驱散该声能。可得到几百比一或更大的信噪比。
一般地，常规过渡-时间流量的操作计包含流量计算机，其使用已知的算法通过将接收信号数字化由所测得的上游和下游的过渡时间差以及所测得的绝对过渡-时间计算得出流量。
使用常规过渡时间式流量计，由于管壁中插入传感器的固定位置，在高流量时会产生问题。当探照光比如“窄”光束宽生成且被注入到气流的路径上时，问题就会出现。由于气体流速可以达到气体自身传播速度的高百分比，可以理解在这些条件下，将导致来自上游和下游传感器的向下游的声束“风吹现象”。附图2给出了该现象。由发射传感器100发射的垂直声束被气流“吹”向下游，使得预期的信号不能被接收传感器1 10接收。从而除了将它们轴向串连安装，没有位置放置任一传感器以避免丢失声束中之一或者全部的可能性。然而，这将导致上游的传感器影响气流的形状且甚至改变传感器之间路径中声束的视在速度。
已知夹合式液体流量计具有很高的测量精度。影响气体与液体流量测量的条件之间的重要差别在于气体的声波阻抗非常低--大约为液体的平均情况的100倍或更低。这使得从管壁进入到气体媒质中的声能的信号强度大减。另一个差别在于与一般液体相比气体中声音的传播速度明显较低--通常约为液体速度的五分之一。该较低的传播速度也导致由管壁生成的声能进入气体时相对于液体非常大的反射角。图3给出了气体和液体反射角之间的差别。波的法线角如直线300所示。如直线310所示气体中的声速约为12000英寸/秒。如305所示液体中的声速约为60000英寸/秒。如305所示管壁的声速约为115000英寸/秒。对于气体来说，这导致角330与法线角相差约6度，对于液体来说，相差约26度。这意味着与这些角度的正弦值成比例，气体流量检测的灵敏度要远小于液体。然而，为了补偿该情况，气体与液体相比通常具有高的多的流速。
由于气体的声阻与高声阻的金属相比非常低，因此很难将来自管壁的声能发射至管道中的气体中。相应地，与用于液体的管道相比较，在典型的夹合式声波流量计中，仅有非常少量的声能进入气体自身。遗憾的是，夹合式流量计要求声能在注入到管壁之前进入到气体中。在管壁中一旦声音信号已经进入气体中，将会遇到管壁中的声能趋向停留在管道中，并在连接传感器安装在其上的管道和其余部分上的法兰或焊缝之间来回反射。
在这种条件下，留在管壁中的声能要比通过气体后返回到接收传感器的较小的声能来说大的多。因此，由于气体信号被管壁的信号淹没，因此几乎不可能检测气体信号。而且，在常规的侵入式声波气体流量计中，传感器的设计避免将声能引入到管壁中。这样在夹合式气体流量计的情况中，引入一个足够强的声音信号至管壁中非常重要，因为这是引入到气体媒质中的实际声能源。因此，其解决的办法就是在通过气体由接收传感器完全接收气体信号之前驱散滞留在管壁中的声能和气体的信号源。幸运的是通过气体的速度与管壁中的声能较高的速度相比要低的多。这些速度的典型比例大约是10∶1。
如果传感器夹合在安装好的管道上，且该管道的管壁中两个不连续部分(例如是法兰)之间非常长，则管壁中的传输信号会“离开附近”并基本上在从这些法兰反射之前被吸收，并且使非常小的气体信号变得模糊。图4A所示为一个在短管中的直达波噪音振幅相对距离的反射特性。图4B所示为一个无阻尼和阻尼短管的反射特性。图4C所示为一个直达波的噪音振幅相对时间的反射特性。图4D所示为一个无阻尼和有阻尼短管的噪音振幅相对时间的反射特性。可以看出如果管道的区段很小则回声室产生，当气体信号到达时最初的声音传输能量将在接收传感器区域出现。因此，对夹合式气体流量计的安装区域来说，推荐将传感器安置在较长相互间不接触的管道的位置上。要求实现预定设计效果的实际长度由信噪比限定，并短于用于较高气体压力的长度，该较高的压力用于增加的气体信号的振幅。
但是气体计量领域的标定已证明是最困难的，通常都不可能，这里所描述的是制作一个短管形式的气体流量计。这样就允许其被带到实验室标定。当然如果有必要的话也可以把短管做的长一点如上面提到的，这样的长度使得其制作、校准、运输和安装都不切合实际。因此需要制作气体短管。为了实现这个目的重要的是开发一种装置，它能在气体信号到达接收传感器之前驱散传输声能。

发明内容
提供一种利用非侵入式夹合式过渡时间超声波流量计来测量气体流速的方法和装置。该装置和方法利用宽束过渡时间性传感器，其中它的频率与管道的厚度模式和纵向模式的谐振频率相匹配，传感器的相位速度与横波的传播速度在管道轴线方向上相匹配。这些条件确保声束出射点被较高流速的气体从管壁移动时而保持其形状，其中较高流速是相对于通过气体媒质的声脉冲的流速。
提供一种装置，其驱散管壁中非常高的传输声能，使其小于相对较低的接收气体信号，该接收气体信号由从较高声阻的金属管壁向较低声阻的气体中引入的声能的低效率所限制。如果夹合式传感器装配在安装好的气体管道上，该管道中在传感器的位置和最近的管壁不连续处(例如是法兰或者接缝)之间具有较大距离，这种能量会自然消散。然而，如果制成一个夹合式气体短管产品，其中的短管设计成限定长度的短管，这样声能会“收集”在这些非连续处之间，并经过传感器位置而连续混响，从而在气体路径接收的声波到达时出现并具有很大振幅，从而使其检测模糊。
另外还公开了一种气体流量计，该流量计包括一将声能注入到气体中的发射传感器；一个接收声能的接收传感器；一个短管，具有金属管壁、声阻比金属管壁的声阻要低的衬套，其中传输和接收传感器安装在短管上。因此，衬套可以吸收或者消耗较高的声能以显著地提高该装置的信噪比。
优选的，该管道包括内管壁和外管壁，衬套形成在内管壁，但是衬套也可以形成在外管壁或者内表面外表面都有。衬套可以通过管壁上熔化的衬套材料将其粘结在管壁上，并以给定的速度降低温度。衬套的外表面可以通过压力敏感粘合剂粘结在管道的外表面，压力敏感粘合剂优选用于现场安装的或者用于工业使用的环氧树脂粘合剂。短管包括法兰和渐缩管。
根据本发明的另一方面，衬套被制做成或者加工成其厚度与声波导向管的特性相匹配。接收传感器安置在间隔发射传感器一定距离的位置上，使得声束从发射传感器经管道的管壁对面反射至接收传感器。根据本发明的一个优选实施例，发射传感器和接收传感器设置在管道的同一侧。在一个可选的实施例中，发射传感器和接收传感器设置在管道的相对侧。
根据本发明的另一个实施例，气体流量计包括一个输送气体的塑料管，一个塑料发射传感器和一个塑料接收传感器，安装在短管上用来将声能注入到气流的通道中，其中通过接收传感器接收到的声能来测量气流的速度。
另外还公开了一种测量气流的方法，该方法包括从安装在金属短管上的发射传感器注入声能到流经短管的气流中的步骤；在接收传感器上通过短管的短管壁上粘接的衬套接收声能，衬套具有比金属短管更低的声阻。衬套优选由塑料制成。管道包括内管壁和外表面，衬套由形成内管壁或者外表面上之一或者两者上。
本发明的另一个方面，衬套是由熔化的衬套材料粘合在管壁上的，并以给定的速度逐渐降低温度知道塑料均匀地固化。
在本发明的一个最佳实施例中，发射传感器设置成与传感器间隔一定距离，使得声束从发射传感器经由管壁和经过管壁的对面反射到达接收传感器。发射传感器和接收传感器最好嵌在管道的同一侧以避免交叉流的误差，如果有必要的话也可以相互安装在管道的相对侧以提高其信号的强度。
根据本发明的另一个最佳实施例，通过注入并接收穿过气流通路的声能来测量气流的气体流量计装置，该装置包括一个其中有气流通过的管道短管；和界面装置，应用于短管的管壁上使其声阻与声音通道中的材料匹配。界面装置包括一个具有比管壁的声阻还低声阻的衬套，短管是由金属材料制成。或者，界面装置包括一个塑料的发射传感器用来注入声能，一个塑料的接收传感器用来接收声能，而且该短管也是由塑料材料制成。


图1所示为安装在管道中的常规传输和接收传感器；图2所示为在气流通路中的窄束上的风吹效果；图3示出在气体和液体反射角的不同；图4A所示为在短管中直达波的距离相对于噪音振幅的反射特性；图4B所示为非阻尼和阻尼短管的反射特性；图4C所示为直接波的时间相对于噪音振幅的反射特性；图4D所示为非阻尼和阻尼短管的时间相对于噪音振幅的反射特性；图5是一个根据本发明的优选实施例的流量计装置的横截面图；图6示出一个具有衬套和从中流过的声波的短管的截面图；图7示出使用图5所示的发射传感器注入的声束的路径特性；图8所示为具有根据本发明的衬套的夹合式流量计的声束路径的特性；
图9A所示为使用衬套之前的管道的声音信号；图9B所示为使用衬套后的声音信号。
具体实施例方式
已知气体中声速很慢，大约是金属管中声速的1/10。因此，当气体信号在传输传感器和接收传感器之间很慢地传递时，管壁信号在管壁中来来回回回声很多次。因此，即使能量在管壁中传出得很慢，但是这种在气体信号到达之前出现的多个过程中传递的总和也变得非常强。
根据本发明的一个优选实施例，能量吸收材料紧密连接在管壁的内侧或外侧，或者内侧和外侧都有，来吸收这些能量。根据本发明的该实施例，在上述材料和管壁之间使用真正的“分子级”的粘接剂是优选的。这样的材料具有非常高的声阻来有效地吸收能量传输。另外，它能够将吸收的“相干的”声能为转换为“不相干的”的机械能或者是热量。
图5所示为根据本发明的优选实施例的夹合式气体短管用作气体流量计的情况。短管包括法兰500、具有精密加工管壁520的渐缩管510，短管上安装有发射传感器560和接收传感器570。根据这一个实施例，衬套550粘合在管壁520的内表面。衬套550适用的材料是粘性的，并且能够紧密地粘合到管壁上。优选的，塑料包括乙烯-四氟乙烯共聚物、聚丙烯或一定等级的聚乙烯。通过在管道的表面熔化塑料，并控制温度缓慢降低来得到紧密粘合，冷却的同时移动组件以确保非常均匀的厚度。
有利的是，据发现，设置在内部的塑料衬套的声阻在金属管壁较高的声阻和气体较低的声阻之间。这样，塑料不仅能用来驱散管壁传输的声能，而且还可以通过设置在管壁和气体之间来改进“阻抗匹配”，使得提供的更多的传递声能进入气体中，以此大幅提高信噪比。
根据本发明的另一个优选实施例，衬套550设置在外部(没有示出)。根据该实施例的衬套最好是由交联聚亚安酯或其他塑料材料制成，由压敏的粘合剂粘结。
可以看出本发明的一个方面在于将管与流量计声阻之间的匹配应用于通过塑料管部分的气流。在该实施例中，使用具有使得管与传感器相匹配的声阻的塑料传感器替代金属传感器，需要或不需要如上述实施例中的衬套，其中流量计是夹合在金属管上。如果使用了衬套，衬套适宜由塑料制成。
注意到管壁厚度及用于高压气体传输的材料所要求的宽束传感器频率、塑料管内壁覆层厚度的改变将导致当声能从管壁内表面与衬套550之间反射到气体界面上时，其交替地增强或减弱。根据本发明优选实施例的解决方案，加工衬套550的厚度使得当声能沿管壁传播时，衬套550与管壁同相地均匀反射声能。这就等同于在振荡运动轨迹上的恰当时间推动它以加强其振幅的效果(参见附图6)。
附图6给出了具有位于管壁520内部的衬套550的套管的一部分及沿套管传输的声波。可以看出当声波由X传播到Y时，衬套处于这样的厚度及反射角，即使得由管壁520反射的声波在衬套550中以与声波相同的传播方向被反射至管壁520上。
当由此生成于管壁中的声能向接收传感器传播时，它形成一宽声束，其中声能以表示上次发射后所剩余的残余能量的幅度被沿着同一管壁连续发射。该宽声束与上述的发射传感器发射的非常窄的声束相反。相应地，如果声束被吹向或者吹离任一传感器，当声束被高气流速度吹动时，将会保留一些作为出射点的位置。这意味着夹合式气体传感器系统，其中被送入气体的能量实际上来自于两个传感器之间的带状区域，而不是来自传感器自身，有效地解决了困扰着插入气体传感器系统的声束被吹的问题。图7给出了穿过声波壁520后自发射传感器发生的声束的路径。声束沿着管壁520由X至Y传播并在气体中变为宽声束。具有高流速的声束路径B抵达与具有低流速的声束路径A基本相同的点，该点位于临近于接收传感器570的声波管壁上。
根据本发明所给出的宽束夹合式系统的另一好处在于通过匹配管道的声音波导性质例如频率和相位速度，当声束射出点变化且甚至在发射的管壁信号到达接收传感器时，发射信号的形状保持不变。既然这是发生在气体信号(气体中传输的信号)到达前，因此管壁中的信号在气体信号到达之前完全消失。但是由于管壁信号仅仅经过管壁路径抵达从而不受到气流的影响。
参照图8，由发送传感器射入的声能经过管壁520向接收传感器570传播。射入的声能也通过管中的气流路径被衬套550所折射，且被对面的管壁590反射，并在经过沿管壁520路径的声能到达后到达该接收传感器570。相应地，经过管壁路径到达接收传感器的信号的上游和下游到达时间差不受气流的影响，其为气体信号本身的标记即零漂移补偿。相应地，检测管壁信号到达时间差，并从气体信号到达时间将其从中减掉以确保抵抗任何零漂移源，且在非常低的流速下确保较高的精度。该信号也可以用作自动调零和零矩阵，前一个被用于确保计量器在流体不能被停止的情况下被正确的调零，后一个被用于在无需停止流体以获得零流体参照的情况下，确保在将来的任何时间抵抗零漂移。该漂移通常由非常见模式的影响引起，例如一个传感器相对与另一传感器的温度的变化。显然需要最大可能的消除声波能量。这就要求连接在管道的内表面或者外表面的材料能从较高振幅的管壁处接收尽可能高的噪音振幅，接着把相关的声能转变为杂乱无序的声能，或者转化为“热”。
根据本发明的另一实施例，一种吸收材被应用在管道的外部。应用于外部的衬套以避免一些时而出现在内部的粗糙情况。吸收材料具有粘性及允许来自管道的声能传输的声音特性，通过衰减材料分子之间的损耗键转化为热量从而完成吸收。吸收材料优选为交联聚亚安酯。这些材料可以通过压敏粘合剂(PSA)或者环氧树脂均匀裹覆在管道的外部。当使用时其将大量减少声能，这一般会在声音气体信号完全通过传输和接收传感器之间以后出现。
根据本发明的优选实施例，作为吸收材料的聚亚安酯是来自Souncoat公司出售的Dyad601。本领域技术人员应当熟知Dyad可以在“声频”带中作为一个衰减声能的材料使用。在本发明中，Dyad被用于在超声波频率区域内衰减超声能。Dyad提供在0.02和0.05英寸的薄片上。如果一个“抑制性的”金属材料应用于在Dyad的外部，会增强衰减的效果。通过增加施加在来自抑制层的分子键产物上的压力来完成。
图9给出了其有效性的一个例子，其中给出了管声波噪音对气体信号的模糊。图9A给出了在应用衬套材料之前的管道声音噪音模糊的气体中信号，和使用之后图9B所示的清晰的信号。
根据本发明实施例的另一个方面，吸收材料也用作一个声音耦合腔。通常当耦合的传感器，油脂或者其他润滑剂用来从传感器向管道耦合声音。据发现将一个声音传感器刚好置于这些材料上方，干燥，通过它声音可得到极好的耦合。吸收材料作为一个声音耦合器，当我们透过20至50密尔厚的传输时，但是声音在管道其他所有的位置的连接区域传输的要比在嵌入传感器作为声音吸收装置的地方传输的远。
虽然已经图示并描述了最佳实施例，此外的各种修改和替换也不会脱离本发明的精神和范围。具体地说，不能仅仅以本发明所描述的图例来理解本发明，这里所公开的图例和实施例不能解释为对权利要求的限制。
权利要求
1.一种气体流量计，其中包括一个发射传感器用来把声能注入到气体中；一个接收传感器用来接收声能；和一个具有金属管壁的短管和一个具有比金属管壁的声阻更低声阻的衬套，其中发射传感器和接收传感器嵌在短管上。
2.根据权利要求1所述的流量计，其中衬套施加于管道的外部。
3.根据权利要求2所述的流量计，其中衬套由横向连接的聚亚安酯制成。
4.根据权利要求1所述的流量计，其中管道包括内部和外部的管壁，衬套形成在管壁的内部。
5.根据权利要求1所述的流量计，其中衬套通过管壁上熔化的衬套材料粘结在管壁上，其中的衬套是由下述粘性材料乙烯一四氟乙烯共聚物，聚丙烯和聚乙烯中的一种制成。
6.根据权利要求1所述的流量计，其中衬套的厚度加工成与管道的声音波导属性相匹配。
7.根据权利要求6所述的流量计，其中接收传感器安装在距离发射传感器一定距离上，以使的从发射传感器到接收传感器传播的声束经过管壁的和经过管道对面管壁反射的具有相同的时间。
8.一种气体流量计，其中包括一个塑料短管用来传输气体，一个塑料发射传感器和一个塑料接收传感器嵌入在短管上用来将声能注入到气流通道中，其中的声能由接收传感器接收并以此测量气流的速度。
9.一种测量气流的方法，包括以下步骤安装在金属短管上的发射传感器透过短管将声能注入到气流中；接收传感器透过施加在短管管壁上的衬套接收声能，衬套具有比金属管壁的声阻更低的声阻。
10.根据权利要求9所述的方法，其中衬套是由塑料制成。
11.根据权利要求9所述的方法，其中管道具有内管壁和外管壁，衬套应用于管壁内表面或外表面的一个上。
12.根据权利要求11所述的方法，其中衬套通过在管壁上熔化的衬套材料以一个给定速率连续降低其温度将其粘结在内管壁。
13.根据权利要求11所述的方法，其中衬套应用在外管壁上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中衬套通过粘合剂粘结在外管壁上。
15.根据权利要求13所述的方法，其中传输和接收传感器直接通过衬套与衬套干耦合。
16.根据权利要起11所述的方法，其中衬套由Dyad601或者等同的材料制成。
17.根据权利要求9所述的方法，其中衬套的厚度被加工成与管道的波导属性相匹配。
18.根据权利要求9所述的方法，进一步包括将发射传感器安装在距接收传感器一定距离上的步骤，该距离使得从发射传感器到接收传感器传播的声束经过管壁的和经过管道对面管壁反射的。
19.根据权利要求9所述的方法，进一步包括测量气体不流动时偏移量的步骤测量接收传感器接收到通过管壁的声音信号的到达时间(t1)；测量通过气体的声音信号的到达时间(t2)；和计算t2减去t1的差。
全文摘要
本发明公开了一种气体流量计，该流量计包括一个发射传感器(560)用于将声能注入到气体中；一个接收传感器(570)用于接收声能；一个具有金属管壁(520)的短管和一个具有比金属管壁的声阻还要低声阻的衬套(550)，其中发射传感器和接收传感器嵌入或者平贴地安装到管道上，直接置在声波阻尼衬套的表面上。
文档编号G01F1/66GK1554013SQ02817748
公开日2004年12月8日 申请日期2002年7月24日 优先权日2001年9月10日
发明者约瑟夫·鲍莫尔, 约瑟夫 鲍莫尔 申请人:约瑟夫·鲍莫尔, 约瑟夫 鲍莫尔