[發明專利]用于外夾式超聲波流量測量的方法及該方法的執行裝置

有效

• 申請號: 201280012430.4
• 申請日: 2012-03-07
• 公開（公告）號: CN103429996A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: B·豐克
• 申請（專利權）人: 弗萊克森柔性工業計量有限公司
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66
• 代理公司: 北京市中咨律師事務所 11247
• 代理人: 吳鵬;馬江立

本發明涉及一種按飛行時間法進行外夾式超聲波流量測量的方法以及一種用于執行該方法的裝置。本發明的目的在于，創造一種用于外夾式流量測量的方法和一種用于執行該方法的裝置，其對由于測量管導致的聲學標定系數的偏差進行補償、不使用基準測量裝置并且聲變換器在能被保留在其在測量管上的安裝位置中。在此，在按本發明的方法和裝置中，兩個聲變換器的至少一個的機電變換元件設計為具有至少兩個陣列元件的陣列。通過在使用不同的陣列元件時比較聲變換器之間的飛行時間而確定標定系數。

技術領域

外夾式流量測量裝置已經應用在工業的多個領域中。這種測量裝置的一個重要優點在于，不與流動的介質接觸就可以進行流量測量。

背景技術

在外夾式流量測量中使用的聲變換器包括聲變換器前部和固定在其上的機電式的聲變換元件，以下簡稱為變換元件，其通過壓電陶瓷實現。聲變換器從外部固定在待測量流量的管上。該管以下稱為測量管。這樣定位聲變換器，使得超聲波信號可以經測量管從一個聲變換器發送到另一個聲變換器，并且在流動介質中的超聲波束相對于管軸線的角度小于90°。在外夾式流量測量裝置中，按照飛行時間法來測量兩個沿流動方向和逆流動方向傳播的聲波信號的飛行時間差并且由此計算出體積流量。例如在WO8808516A1中描述了所測量的飛行時間與流速之間的關系。在聲波路徑上的平均流速VI可以由飛行時間差△t和流體中的飛行時間tl按下式計算出：

VI=Ka*(△t/2tl) 式（1）

在此，Ka是傳感器常數，其確定在流體中的入射角：

Ka=c_alpha/sin(alpha) 式（2）

在此，alpha和c_alpha分別是聲變換器前部中的入射角和聲波速度。為了計算出體積流量，還必須已知流體機械學的標定系數KF，該標定系數表示流速的面平均值與聲波路徑上的平均流速的比例。

KF=VA/VI 式（3）

然后，通過管的橫截面積A得出體積流量Q：

Q=KF*A*Ka*(△t/2tl) 式（4）

外夾式超聲波流量測量的一種有利的設計方案例如記載在DE19808642中。通過管橫截面的構造這樣設計流體機械學的標定系數KF，使得該標定系數與流動狀態無關。在DE10312034B3中描述了一種超聲波流量測量方法，該方法通過檢測相繼的、多次穿過測量管的超聲波信號來實現非常精確地確定流體飛行時間。

EP0733885A1描述了一種方法，其用于通過確定出流體聲速度來為外夾式超聲波流量測量補償流體的壓力和溫度相關性并且用于按照折射定律匹配流體內部的聲波路徑。聲變換器前部和管壁的聲波速度及其溫度相關性在此是已知的。

在DE102009046871A1中描述了一種用于標定外夾式超聲波流量測量裝置的測量轉換器的方法。因此，可以按式（1）所需的時間測量與測量管和聲變換器的聲學特性無關地進行標定。傳感器常數ka在本方法中是已知的并且是不變的。

原則上假定：流體中的入射角通過折射定律由傳感器常數Ka和流體中的聲波速度得出。然而，測量管的管壁可能導致與按折射定律的聲波傳播相比出現不可忽略的偏差。一些測量顯示出，在式（1）中使用的傳感器常數Ka不能精確地反應出流動速度VI與飛行時間差△t以及飛行時間tl之間的關系。替代于按式（2）由聲變換器的參數計算出的傳感器常數Ka，必須在式（1）中使用如下的系數：該系數還包含管壁的影響。該系數通常可以被稱為聲學的標定系數。在理想情況下，不存在管壁的影響，那么該系數與Ka一致，也就是說實際上該系數或多或少地偏離Ka。因為管壁不影響聲變換器前部中的聲波速度，所以該偏差只能被理解為入射角alpha的變化。