CN100476370C - 夹合式气体流量计及测量气体流量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体流量计，该流量计包括一个传送换能器(560)用于将声能注入到气体中；一个接收换能器(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)，其中传送换能器和接收换能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。

Description

夹合式气体流量计及测量气体流量的方法

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Z_S＝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。可得到几百比一或能器和管壁的压力密封之前不传送给气体的声能的内部装置。金属和粘性橡胶体的结合物可以被用来分散该声能。可得到几百至一之间的信噪比。

一般地，常规传送-时间流量计包含流量计算机，其使用已知的计算方法通过将接收时间信号数字化由所测得的上游和下游的传送时间差以及所测得的绝对传送-时间计算得出。

使用常规传输时间式流量计，由于管壁中的插入换能器的固定位置，在高流量时会产生问题。当探照光比如“窄”光束宽被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换能器的向下游的声声束“风吹现象”。附图2给出了该现象。由传送换能器100传送的常规声声束被气流“吹”向下游，使得预期的信号不能被接收换能器110接收。从而除了将它们设置在同一个轴线上，没有位置放置任一换能器以避免丢失声声束中之一或者全部的可能性。然而，这将导致上游的换能器影响气流的形状且甚至改变换能器之间路径中声音束的视在速度。

已知的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非常低的声波阻抗-大约100倍或更低于液体的平均情况。这使得从管壁进入到气体媒质中的声能的信号强度大减。另一个差别在于与典型的液体相比气体中明显较低的声音传播速度--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。波的常规角度如直线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与通常角度相差约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，很难将来自管壁的声能传送至管道中的气体中。相应地，与使用于液体管道相比较，在典型的夹合式声波波流量计中，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。一旦在管壁中且其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，并在边缘或管道上换能器安装在管道尾部上的的焊接连接部之间来回的反射。

在这些条件下，遗留在管壁中的声能要比通过气体后返回到接收换能器的较小的声能来说大的多。因此，当气体的信号被管壁的信号所淹没时，检测气体的信号几乎不可能。尽管在常规的插入式声波波气体流量计中，换能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实例中，其要点是引入一个足够强的声音信号至管壁中，作为一个实际的声能源引入到气体媒质中。因此，其解决的办法就是在通过气体由接收换能器完全接收气体信号之前减少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。

如果换能器夹合并安装在管道上，该管道的管壁中两个不连续部分(例如是法兰)之间非常长，致使管壁中的传输信号“leave thevicinity”以使得被吸收，总体说来，在从这些法兰反射和吸收之前气体信号非常弱。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所示为一个直达波相对时间的噪音振幅的反射特性。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域很小则回声腔产生，当气体信号到达时最初的声音传输能量将在接收换能器区域出现。因此，对夹合式气体流量计的装嵌区域来说，换能器安置在较长相互间不接触的管道的位置上这一点是认可的。实际的长度要求实现这样的一个设计效果，减小信噪比，降低较高的气体压力，较高的压力适合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校正。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。因此所描述的是制作气体短管。为了实现这个目的其根本要素是在气体信号到达接收换能器之前减少声能传输的损失。

发明内容

提供一种利用非介入夹合式传输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传输时间性换能器，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，换能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。

提供一种装置其管壁消耗的声音传输能量非常高，以至于其比相对弱的接收到的从较高声阻的金属管壁进入较低声阻的气体中产生的声能信号还要小从而导致无效。这样的能量通常消耗了，如果夹合式换能器装配在气体管道上，该管道中在换能器的位置和最近的管壁之间(例如是法兰或者接缝)不连续具有一定距离。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，这样在这些非连续和连续的回声穿过换能器区声能就被“收集”，当气体通路接收到声波时就能够出现强振幅使其测量模糊。

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传送换能器；一个接收声能的接收换能器；一个具有金属管壁的短管，一个具有比金属管壁的声阻要低声阻的衬套，其中传输和接收换能器嵌入在短管上。更具体地说，衬套可以吸收或者消耗较多的声能以显著地提高该装置的信噪比。

更好的是该管道包括内管壁和外管壁，衬套形成在外管壁，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，还可以以给定的比例热延上。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，最好是安装领域的或者利用工业使用的环氧树脂。短管包括法兰和异径接头。

根据本发明的另一方面，衬套被做成或者加工成其厚度与声波导向管的特性相匹配。接收换能器安置在间隔传送换能器一定距离的位置上，使得声声束从传送换能器经管道的管壁对面反射至接收换能器。根据本发明的一个最佳实施例，传送换能器和接收换能器设置在管道的同一侧。在一个可选的实施例中，传送换能器和接收换能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，一个塑料传送换能器和一个塑料接收换能器嵌在短管上用来将声能注入到气流的通道中，其中通过接收换能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，该方法包括从嵌在金属短管上的传送换能器注入声能到流经短管的气流中的步骤；在接收换能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。衬套也可以由塑料制成。管道包括内管壁和外表面，衬套由形成在一个或者两个内管壁或者外表面上。

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，也可以是在一个给定的比例热延直到塑料凝固均匀。

在本发明的一个最佳实施例中，传送换能器设置成与换能器间隔一定距离，使得声音束从传送换能器经由管壁和经过管壁的对面反射到达接收换能器。传送换能器和接收换能器最好嵌在管道的同一侧以避免横向流的误差，如果有必要的话也可以相互嵌在管道的相对侧但是这要提高其信号的强度。

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；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。两者中的一个，界面装置包括一个塑料的传送换能器用来注入声能，一个塑料的接收换能器用来接收声能，而且该短管也是由塑料材料制成。

附图说明

图1所示为安装在管道中的常规传输和接收换能器；

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与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与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与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所示的传送换能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。

具体实施方式

已知气体中声速很慢，大约是金属管道中声速的1/10。因此，当气体信号在传输换能器和接收换能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。这样的材料具有较高的合适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的异径接头510，短管上安装有传送换能器560和接收换能器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，塑料包括乙烯一四氟乙烯共聚物、聚丙烯或类似聚乙烯的组合物。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”，使得更多的有用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横向连接的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，使用具有使得管与换能器相匹配的声阻的塑料换能器替代金属换能器，需要或不需要一衬套，例如上述实施例中，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换能器频率，塑料管内壁覆层厚度的改变将导致当声能在管壁内表面与气体界面上的衬套550之间反射时，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的厚度使得当声能由管壁返回时，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，衬套有一厚度及反射角，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传播至接收换能器时，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。该宽声束与上述的传送换能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换能器，当声束被高气流速度吹动时，将会保留一些作为突出点的位置。这意味着夹合式气体换能器系统，其中被送入气体的能量实际上来自于两个换能器之间的带状区域，而不是来自换能器自身，有效地解决了困扰着插入气体换能器系统的声束被吹的问题。图7给出了穿过声波壁520后自传送换能器发生的声声束的路径。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换能器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，当声束发生点变化且甚至在传送的管壁信号到达接收换能器时，传输信号的形状保持不变。既然其在气体信号(气体中传输的信号)到达前为适当地，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，由发送换能器注入的声能经过管壁520向接收换能器570传播。注入的声能也在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换能器570。相应地，经过管壁路径到达接收换能器的信号的上游和下游的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准和零误差，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，例如一个换能器相对与其他换能器的温度的变化。显然需要最大可能的消除声波。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，以已知“热”的其他方式。

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刺耳的情况。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。吸收材料适宜为交联聚亚安酯。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换能器之间以后出现。

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公司应用于商业的Dyad601，本领域技术人员应当熟知Dyad可以在“音谱”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可用于0.02和0.05英寸的薄片上。一个“抑制性的”金属材料如果被应用于在Dyad的外部，能增强衰减的效果。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。通常当耦合的换能器，油脂或者其他润滑剂用来从换能器向管道耦合声音。已经发现一个单一的位置声音换能器刚好置于这些材料上方，干燥并且通过它声音得到极好的耦合。吸收材料作为一个声音耦合器，当我们透过0.020至0.050寸厚的传输时，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换能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。

Claims (13)

1、一种气体流量计，包括：

一个发射传感器，用来将声能注入到气体中；

一个接收传感器，用来接收声能；和

一个短管，具有金属管壁和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安装在短管上，其中金属管壁包括内管壁和外管壁，衬套形成在外管壁上。

2、根据权利要求1所述的气体流量计，其中衬套由一种粘性材料制成，该粘性材料包括乙烯-四氟乙烯共聚物、聚丙烯和聚乙烯中的一种。

3、根据权利要求1所述的气体流量计，其中短管包括法兰和渐缩管。

4、根据权利要求1所述的气体流量计，其中发射传感器和接收传感器沿管道的同一侧安装。

5、一种气体流量计，包括：

一个发射传感器，用来将声能注入到气体中；

一个接收传感器，用来接收声能；和

一个短管，具有金属管壁和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安装在短管上，其中通过在管壁上熔化衬套材料并以给定的速率降低温度而将衬套粘结在管壁上。

6、一种气体流量计，包括：

一个发射传感器，用来将声能注入到气体中；

一个接收传感器，用来接收声能；和

一个具有金属管壁和衬套的短管，其中衬套加工成与管道的声波导向管的特性相匹配的厚度，其中发射传感器和接收传感器安装在短管上，其中金属短管壁包括内管壁和外管壁，衬套形成在外管壁上。

7、根据权利要求6所述的气体流量计，其中接收传感器与发射传感器以一定距离间隔开，使得从发射传感器发射的声束通过发射传感器所在的管壁和通过发射传感器所在管壁对面的管壁的反射同时到达接收传感器。

8、一种测量气体流量的方法，通过测量上游和下游的过渡时间差以及绝对过渡时间计算流量，其包括以下步骤：

将声能从安装在金属短管上的发射传感器发射到短管内部的气流中；和

接收传感器通过安置在短管管壁外部的衬套接收声能，衬套的声阻比金属管壁的声阻低。

9、根据权利要求8所述的方法，其中衬套由塑料制成。

10、根据权利要求8所述的方法，其中衬套通过将衬套材料熔化到管壁上和以给定的速度连续降低温度而将衬套粘结在管壁上。

11、根据权利要求8所述的方法，其中衬套加工成与管道声音波导属性相匹配的厚度。

12、根据权利要求8所述的方法，还进一步包括将发射传感器安装与接收传感器以一定距离间隔开的步骤，从而使得从发射传感器发射的、被衬套反射、通过管道内部气流通道并从发射传感器所在管壁对面的管壁反射的声束与通过沿发射传感器所在的管壁路径的声束基本上同时到达接收传感器。

13、根据权利要求8所述的方法，其中发射传感器和接收传感器沿管道的同一侧安装。

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