[發(fā)明專利]流速的超聲測量

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110250531.2
• 申請日: 2011-08-23
• 公開（公告）號: CN102455368A
• 公開（公告）日: 2012-05-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 托拉夫·迪茨;拉斯·厄米陳;約翰·蘭辛
• 申請（專利權(quán)）人: 西克工程有限公司
• 主分類號: G01P5/24
• 分類號: G01P5/24
• 代理公司: 中原信達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11219
• 代理人: 車文;張建濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于確定導(dǎo)管中的流體的流速的超聲測量設(shè)備和方法。

背景技術(shù)

流速測量的通常應(yīng)用通過用于天然氣管路的氣體流量計體現(xiàn)。通常，人們基本上不對流速感興趣，而是對所輸送的氣體體積感興趣，但是借助于管路的已知橫截面能夠容易地計算出氣體體積。

沿著天然氣的供給鏈，一個重要部分是所謂的上游領(lǐng)域，包括生產(chǎn)、處理和回注領(lǐng)域。若干計量點存在并且必須處理變化的體積流量、濕的氣體和通常惡劣的環(huán)境。在聚集結(jié)合了來自不同源的氣流的管路處，使用測量來用于儲藏管理、監(jiān)視和生產(chǎn)的控制，并且用于結(jié)算。

用于這些上游測量應(yīng)用的普通途徑是孔板流量計。這些是相對簡單的機(jī)械設(shè)備，其在孔的兩側(cè)使用壓力傳感器以便估計流量。用于孔板流量計的設(shè)定由大量標(biāo)準(zhǔn)，如ISO5167或AGA3來限定，從而在其中限定了饋送部的必要長度，該長度可延伸至多達(dá)標(biāo)稱直徑的40-50倍?？装辶髁坑嬍墙训那也话嘿F的，并且它們還能夠僅基于其幾何結(jié)構(gòu)來進(jìn)行校準(zhǔn)。

另一方面，孔板流量計缺乏精度和診斷，尤其是當(dāng)測量條件出乎意料時。例如，不能識別濕氣體的液體部分?？装辶髁坑嬘袝r被認(rèn)為能夠耐受氣流中的液體。這只有在涉及對流量計的損壞的程度才保持正確并且可被稱為相比于渦輪機(jī)、旋轉(zhuǎn)的或其它傳統(tǒng)測量設(shè)備的優(yōu)點。然而，對于濕氣體來說，即使液體部分低時，孔板流量計也顯示了大的測量誤差?？装辶髁坑媽τ诹髁坑嬌嫌蔚臄_動非常敏感并且需要相當(dāng)大部分的優(yōu)選與流動調(diào)節(jié)器結(jié)合的直上游管道。它們具有低測量動態(tài)，必須進(jìn)行流量計的互換以適應(yīng)在源的使用期中的流量變化。最后，孔板流量計在邊緣和倒角處需要精確的幾何結(jié)構(gòu)，該精確的幾何結(jié)構(gòu)將由于侵蝕、腐蝕和沉積而受損。

用于確定管路和導(dǎo)管中的流速的另一已知途徑是使用渡越時間差方法的超聲測量技術(shù)。它們在傳輸和存儲的領(lǐng)域中廣泛傳播，但未在上游領(lǐng)域中使用，因為它們被認(rèn)為比孔板流量計更昂貴。

超聲渡越時間差方法在圖11中顯示。在傳統(tǒng)的測量設(shè)備100中，兩個超聲換能器102a、102b成角度布置在導(dǎo)管或管道104的壁中，在該導(dǎo)管或管道104中，流體106在標(biāo)記管道104的中心縱向軸線的箭頭108的方向上流動。超聲脈沖在超聲換能器102a-b之間的測量路徑上發(fā)射和接收，其中超聲換能器102a-b交替操作作為發(fā)射器和接收器。通過流體傳輸?shù)某曅盘栐诹鲃臃较蛏霞铀俨⑶夷嬷鲃臃较驕p速。使用幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)來將由此產(chǎn)生的渡越時間差計算為流體沿該超聲路徑的流速。由此與橫截面面積一起產(chǎn)生工作體積流量，對例如由體積標(biāo)出的流體而言，該工作體積流量是感興趣的測量變量。幾何關(guān)系通過如下變量描述：

v：管道中的流體的流速

L：兩個超聲換能器之間的測量路徑的長度

α：超聲換能器發(fā)射和接收所成的角度

Q：體積流量

D：管路的直徑

t_v：順流的超聲的渡越時間

t_r：逆流的超聲的渡越時間

對于目標(biāo)變量v和Q，由此產(chǎn)生如下關(guān)系：

v＝L/(2cos?α)(1/t_v，-1/t_r)和

Q＝v?1/4D2π

以這種方式來確定測量路徑的位置處的局部、平均流速。然而，這僅對于均勻流動產(chǎn)生精確的測量值。換句話說，在測量路徑是單一取樣點的情況下，該流速只是近似的。為了在非均勻流動的情形中獲得更好的近似值，能夠增加測量路徑的數(shù)量并因而增加取樣點的數(shù)量。由此產(chǎn)生的超聲流量計已知為兩路流量計、四路流量計等。顯然，隨著測量路徑的增加，不僅流量計的精度，而且其制造成本也增加。一系列測量路徑構(gòu)造或布局在標(biāo)準(zhǔn)ISO17089-1中提出。

利用兩路流量計能夠?qū)崿F(xiàn)用于上游應(yīng)用的制造成本和精度的合理平衡。兩路流量計的傳統(tǒng)路徑布局包括兩條平行路徑，一條在管道的下半部中，一條在管道的上半部中，其中以管道的半徑為單位R，距中心縱向軸線的距離為0.5R。根據(jù)車比雪夫(Tschebyscheff)定理，此距離將近似誤差減到最小程度。然而，事實證明具有此路徑布局的兩路超聲流量計在濕氣體的流速測量中顯示了相當(dāng)大的誤差。

此外已知的是與流量相關(guān)的誤差特性在距中心縱向軸線0.6R的距離處幾乎是平直的。同時，此平直特性以較高的絕對近似誤差為代價而達(dá)到。此知識從沒有聯(lián)系到兩路超聲流量計。傳統(tǒng)的兩路流量計堅持誤差最小的0.5R位置。

發(fā)明內(nèi)容