[發明專利]用于確定管道中的流體的流量特性的設備和方法

有效

• 申請號: 201010236131.1
• 申請日: 2010-07-21
• 公開（公告）號: CN102087129A
• 公開（公告）日: 2011-06-08
• 發明（設計）人: 阿爾然·斯泰豪沃
• 申請（專利權）人: 埃爾斯特股份有限公司
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66;G01P5/24
• 代理公司: 北京銀龍知識產權代理有限公司 11243
• 代理人: 許靜

技術領域

本發明涉及超聲波流量測量，特別地，涉及用于測量例如管道中的流體的流速和/或吞吐量等流量特性的設備和方法。

背景技術

在管道中流動的流體的超聲波流量測量在本領域中是公知的。主要地，其包括在發射機和接收機之間發送超聲波(ultrasonic?sound?wave)，在管道的軸向上、在流體流動的下行(downstream)方向上及在流體流動的上行(upstream)方向上將發射機和接收機隔開。測量超聲波的通行時間。通過下行方向的超聲波和上行方向的超聲波的通行時間的差別，可以基于管道的已知幾何結構來計算平均流速或吞吐量。該流體是例如天然氣等氣體、水蒸氣或液體。

除了流速，所測量的通行時間還依賴于管道中的流體的流動剖面。渦旋、橫流(cross?flow)、剖面不對稱及速度隨時間波動是理想流動剖面的已知的畸變，在彎曲等之后，該種畸變實際上經常發生，例如發生在復雜的管道系統結構中。

所測量和計算的流速的最終可靠性依賴于許多參數，如所覆蓋的距離、聲波路徑配置、所傳送的超聲波類型及計算方法本身。現有技術中已知許多聲波路徑配置。

已知的聲波路徑配置之一是具有中間半徑弦(midradius?chord)的三角形路徑，其中，由發射機發射的超聲波在由接收機接收之前在內側管道壁上反射兩次。例如，US-A-5,546,812已經公開了一種用于確定通道中的介質的流動特性的方法和設備，包括限定了對于渦旋確定的互相偏移的兩個三角形路徑以及對于不對稱確定的也互相偏移的三個單個的反射軸路徑的變換器裝置。根據該專利的商業上可利用的流量儀表中，第一三角形路徑具有順時針方向的取向，第二三角形路徑具有逆時針方向的取向。

然而，從例如EP?0843160A1知道的另一路徑配置包括通過管道的中心的至少一個第一路徑、所述的三角形形式的至少一個第二路徑及具有相對于管道壁的三次或更多次反射的至少一個第三路徑。該已知路徑配置用于獲取與理想的權重因子盡可能接近的用于計算流速/吞吐量的合成的權重因子的曲線。據說可以達到將不準確性降低到大約0.15％。

關于測量結果的準確性和可靠性的要求仍然在增加。經常地，如果可以提高準確性和可靠性，則也伴隨著不成比例增加的設備的復雜性和成本。

發明內容

本發明的目的是提供一種在允許設備的相對簡單的設計的同時，允許增加詢問區域以及增加在管道中流動的流體的實際流動剖面的信息搜集的超聲波流量測量設備和方法。

本發明的另一目的是提供一種以最小數量的變換器而具有關于準確性和可靠性的優秀性能的超聲波流量測量設備。

在權利要求1中限定根據本發明的設備。在從屬權利要求中限定優選實施例。

用于確定流量特性的設備包括管道體，流量特性特別地是在管道中流動的流體的流速和/或吞吐量。在通常具有環形截面的管道體的外壁上或外壁內設置超聲波變換器。根據本發明的設備包括第一組變換器。軸向間隔開的變換器能夠沿著第一渦旋感測聲波路徑(相關變換器之間的軌跡，不考慮沿著軌跡發送的聲波的方向、上行或下行)傳送超聲波。從而，第一渦旋感測聲波路徑具有軸向分量。第二組變換器限定第二渦旋感測聲波路徑，并且第二組變換器與第一組變換器呈現在管道體的相同側。由于變換器的間隔要求，實際上，都平行于管道體軸的第一對準線和第二對準線關于第二對變換器中的變換器在切線上偏移小的距離。優選地，第一和第二線位于相同的位置。這樣布置變換器，以使得從軸向方向看第一和第二聲波路徑共同具有順時針方向(CW)和逆時針方向(CCW)。在該應用中，該種渦旋感測聲波路徑對也被稱為成對路徑。

為了增加詢問區域，根據本發明的設備還包括在直徑上和軸向上偏移的變換器之間限定具有單反射的第三聲波路徑的第三對超聲波變換器。通過限定對稱于第三聲波路徑的第四聲波路徑的第四對超聲波變換器提供配對的變換器。換句話說，第三和第四路徑共同具有分別從軸向方向看到的順時針方向和逆時針方向的取向。比優選的渦旋感測路徑與管道壁更接近設置的這些“半個四邊形”路徑(對于作為優選的渦旋感測路徑的等邊三角形路徑，0.707^*管道半徑相比0.5^*管道半徑)特定地允許獲取關于流動剖面的銳度的信息(例如，穿過管道的橫截面區域的軸向速度分量)并且覆蓋管道截面的額外的區域。此外，該配置允許另外的渦旋角測量。