CN101573594B - 使用同步经过时间和多普勒方法的超声波流量计 - Google Patents

Abstract

一种超声波流量计系统包括：相对于管道布置的传感器，所述管道通过在所述管道中流动的流体限定至少一个弦向路径；设置在所述弦向路径上用于生成通过时间信号的至少一个发送传感器和接收传感器对。至少一个接收传感器定位成接收所散射的能量从而生成范围选通多普勒信号。该系统还包括处理子系统，用于激发所述至少一个发送传感器。该处理子系统响应于所述通过时间信号和范围选通多普勒信号，并且配置以为所述管道中流动的流体生成速度分布和平均速度。

Description

使用同步经过时间和多普勒方法的超声波流量计

技术领域

本发明涉及超声波流量计技术。

背景技术

超声波传感器可用于测量管道中流体的流量。通过时间流体计量是一种测量平均管道流量的常用超声波方法。当一个传感器由电子控制器激发或供能时，该传感器能够发送穿过流体的声波，该声波由另一传感器检测到。该控制器在接收器和发射器之间往复变换从而接收沿着流体方向和相对于流体方向行进的信号。然后，使用声波的通过时间来计算流体的声音速度，并进一步通过使用声音速度、路径长度、通过时间和管道尺寸数据计算流量。

流速的径向分布由其流量分布描述，其为流体介质的雷诺数、管道粗糙度和管道结构的函数。现有单通道超声波流量计通过将管道横截面积S乘以平均面积流速V并且使用分析性或经验性分布校正因数来测量体积管道流量Q。但是，分析性或经验性分布校正因数通常是取决于流量的并且如果流体分布不对称那么将是无效的，因此会损失精确度。

同样，如果流体属性未知，或者如果传感器的上游的条件复杂，那么会产生严重失真的流体分布。因此，使用多对传感器来更精确地外推平均管道流量，通常使用限定通过流体的四个或多个路径的四个或多个传感器对。弦向路径(并非位于直径上或者穿过管道中心的路径)一般与接触管道流体的浸入式传感器相结合地使用。

每个通过流体的额外路径需要额外的传感器对，一般会增加流量计的成本和复杂度。同样，大量的路径需要在流量计主体中设置大量的端口，这会对流体分布产生扰动。平齐安装的传感器端口能够减小这种扰动，但是超声波信号强度也被降低。因此，使用许多浸入式传感器会导致测量的精确度降低。

在一种类型的系统中，流体分布能够由范围选通(range gated)的多普勒方法确定。能量被颗粒、气泡或者任何其他的不均匀性而分散，由传感器从入射信号接收的能量具有不同频率分量，这些差异经过分析然后用于计算散射体的速度。参见例如通过引用结合于此的美国专利No.4,787,252。根据该专利，每个夹持(clamp-on)传感器对位于直径上(因为夹持传感器必须位于直径上)并且每个传感器可用作发送器，然后作为接收器来接受散射返回其自身的能量。但是，这种传感器使得工程师难于应用在工业中。

同样公知的是将通过时间和范围选通多普勒技术结合到一起。参见Experiment in Fluids，2001，Springer-Vriag的M.Mori等人的“Development ofa Novel Flow Metering System Using Ultrasonic Velocity Profile Measurement”(同样引用结合于此)。根据该论文，每个夹持传感器对都沿着直径路径定位。但是，当管道中的流体的属性并非公知时，位于直径路径上的传感器对能够仅仅提供有限的信息并因此得到相应于平均流量的不精确的结果。

发明内容

本发明的实施例提供一种流量计，该流量计能够使用少于四对传感器精确地检测平均流量。所采用的传感器可以是标准的低成本浸入式传感器，但是本发明并不局限于此。同样，各种实施例既没有添加明显的成本或复杂性，也不任何大程度的干扰流体，和/或能够有力地使用位于一个或多个弦向路径上的传感器对，尤其当流体属性未知时更精确地判定平均流量。

在一方面，申请人的流量计通过使用穿过管道的位于弦向路径和直径路径上的传感器对来确定三维流动分布和平均流量。在一项非限定性实例中，传感器可作为从其自身散射的能量的接收器或者相邻传感器通过流体传送的声波的接收器，并且可生成通过时间信号和范围选通多普勒信号。所需要的传感器的数量可减小至少于当前使用的数量，同时至少保持并且一般地增加有关通过管道的流速和流量的信息的精确度。

但是，本发明的实施例并不需要实现所有这些结果，其权利要求应当不局限于能够实现这些结果的结构或方法。

本发明的特征为一种超声波流量计系统，包括：相对于管道布置的传感器，以限定穿过流动于所述管道中的流体的至少一个弦向路径；设置在所述弦向路径上用于生成通过时间信号的至少一个发送传感器和接收传感器对。至少一个接收传感器定位成接收所散射的能量从而生成范围选通多普勒信号。该系统还包括处理子系统，用于激发所述至少一个发送传感器，响应于所述通过时间信号和范围选通多普勒信号，并且配置成生成所述管道中流动的流体的速度分布和平均速度。在一项实施例中，存在至少三个发送和接收传感器对。其中两对位于弦向路径上，而其中一对处于直径路径上。每个传感器可定位成接收所散射的能量。所述处理子系统配置以在每个发送传感器被激发之后处理来自于每个接收传感器的范围选通多普勒信号。可以由多个发送和接收传感器对，每对定位在弦向路径上从而生成通过时间信号，每对中的接收传感器也接收所散射的能量从而产生范围选通多普勒信号。在一种结构中，可以是两对传感器位于不同的弦向路径上，而一对传感器位于直径路径上。每个传感器可接收由传感器生成的通过时间信号的散射能量，和/或每个传感器接收由不同的传感器生成的通过时间信号的散射能量。在一种变化方式中，每个传感器可以是浸入式传感器。在一种结构中，所述接收传感器输出通过时间和多普勒频移信号至所述处理子系统。

在一项实施例中，所述处理子系统配置以测量所述通过时间信号的通过时间并且判定所述流体的声音速度，使用所测量的通过时间和声音速度计算沿着至少一个通过时间路径的所述流体平均速度。可以使用所测量的通过时间和声音速度计算所述流体的平均速度。所述处理子系统还可配置以确定点速度被测量的地方在流体中的点位置，所述点位置可以通过使用所述声音速度进行判定。在一项实例中，所述处理子系统配置以测量多普勒频移从而计算所述点位置处的速度，并且根据所述点位置处的速度而生成速度分布。所述速度分布是三维速度分布。所述处理子系统配置也可以以校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度从而判定平均流量，并且可使用所述速度分布校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均流量。该系统还可包括用于显示所述平均流量的装置，和/或用于显示所述流体的声音速度的装置。

本发明也提供一种超声波流量计系统，包括：相对于管道布置的两个发送传感器和接收传感器对，以限定穿过流动于所述管道中的流体的两个弦向路径；设置在所述管道上的至少一个发送传感器和接收传感器对，用于限定直径路径并且生成通过时间信号。至少一个接收传感器定位成接收所散射的能量从而生成范围选通多普勒信号。处理子系统用于激发发送传感器，并响应于所述通过时间信号和范围选通多普勒信号。在一项实施例中，所述处理子系统配置以：测量所述通过时间信号的通过时间并且判定所述流体的声音速度；使用所测量的通过时间和声音速度计算沿着至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度。该处理子系统还配置以确定点速度被测量的地方在所述流体中的点位置；测量多普勒频移从而计算点位置处的速度；根据所述点位置处的速度生成速度分布；以及沿着所述至少一个通过时间路径校正所述流体的平均速度从而判定平均流量。使用所测量的通过时间和声音速度计算所述流体的平均速度，所述点位置可使用所述声音速度进行判定。使用所述速度分布校正沿着至少一个通过时间路径的流体的平均速度。所述速度分布可以是三维速度分布。

本发明还提供一种超声波流量计方法，包括：相对于管道布置传感器，以限定穿过流动于所述管道中的流体的至少一个弦向路径；从所述弦向路径上的至少一个发送传感器和接收传感器生成通过时间信号；从定位成接收所散射能量的至少一个发送传感器生成范围选通多普勒信号。该方法还包括激发所述发送传感器；并且根据所述通过时间信号和所述范围选通多普勒信号生成在所述管道中流动的流体的速度分布和平均速度。在一种结构中，存在至少三对发送和接收传感器，其中两对定位在弦向路径上，而其中一对定位在直径路径上。每个传感器可定位成接收所散射的能量。该方法还可包括在每个发送传感器被激发之后处理来自于每个接收传感器的范围选通多普勒信号。具有多对发送和接收传感器，多对发送和接收传感器中的每对可定位在弦向路径上，来生成通过时间信号。每对中的接收传感器也接收所散射的能量从而产生范围选通多普勒信号。在一项变化实施例中，在不同弦向路径上定位两对传感器，而在直径路径上定位一对传感器，每个传感器可接收由传感器生成的通过时间信号的散射能量，和/或每个传感器接收由不同的传感器生成的通过时间信号的散射能量。每个传感器可以是浸入式传感器。在一种结构中，所述接收传感器输出通过时间和多普勒频移信号。

在一项实施例中，该方法包括测量所述通过时间信号的通过时间并且判定所述流体的声音速度，计算沿着至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度，使用所测量的通过时间和声音速度计算所述流体的平均速度。该方法一般也可包括确定流体中要测量点速度的点位置，并且这一确定也可通过使用所述声音速度进行。测量多普勒频移从而计算所述点位置处的速度，根据各所述点位置处的速度而生成速度分布。所述速度分布是三维速度分布。在一项变化方案中，该方法包括利用速度分布校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度并且确定平均流量。还可包括用于显示所述流体的所述平均流量和/或声音速度的装置。

本发明也提供一种超声波流量计方法，包括：相对于管道布置两个发送传感器和接收传感器对，以限定穿过流动于所述管道中的流体的两个弦向路径；将至少一个发送传感器和接收传感器对布置在所述管道上从而限定直径路径并且用于生成通过时间信号；定位至少一个所述接收传感器从而接收所散射的能量从而生成范围选通多普勒信号，以及激发所述至少一个发送传感器。在一项实施例中，该方法还包括：测量所述通过时间信号的通过时间并且判定所述流体的声音速度；使用所测量的通过时间和声音速度计算沿着至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度；以及确定所述流体中的将要测量点速度的点位置。该方法还包括根据所述范围选通多普勒信号测量多普勒频移从而计算所述点位置处的速度；根据各所述点位置处的速度生成速度分布；以及校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度并且确定平均流量。该方法还可包括使用所测量的通过时间和声音速度计算所述流体的平均速度，以及使用所述声音速度确定所述点位置。该方法还可包括使用所述速度分布校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度。所述速度分布是三维分布。

附图说明

本领域技术人员将从随后的说明书和附图中了解到其他的目的、特征和优势，其中：

图1A是典型的现有技术夹持超声波通过时间流量计系统的示意性侧视图；

图1B是图1A的现有技术夹持超声波通过时间流体计系统的示意性剖视图；

图2A是根据本发明的流量计系统的一项实施例的示意性侧视图；

图2B是图2A的流量计系统的示意性剖视图；

图3是包括至少一个弦向路径的本发明的流量计的实施例的示意性剖视图；

图4是示出三个传感器对和两个弦向路径的本发明的流量计的实施例的示意性剖视图；

图5是示出采用另一构造的三个传感器对的本发明的流量计的另一实施例的示意性横截面视图；

图6是示出三个传感器对的其他构造的本发明的流量计的实施例的示意性横截面视图；以及

图7是用于根据通过时间和多普勒频移数据生成速度分布和平均流量的处理子系统的一项实施例的主要处理步骤的流程图。

具体实施方式

除了下面公开的实施例，本发明能够应用于其他实施例，并且能够采用各种方式实施或实现。因此，应当理解，本发明并不是受到限制地应用于在随后说明书或附图所述的部件的结构和布置的详细内容。这里的权利要求并不局限于这里所述的实施例。而且，本发明的权利要求并不是限制性的，除非有清楚和确定的证据表明特定的排除、限制或放弃。

一种典型的现有技术流量计10，图1A包括具有上游超声波传感器12和下游超声波传感器14的传感器对12、14。超声波传感器12和14可以是夹持传感器，或者浸入式传感器，设置在管道16的相对侧上，或者传感器可以位于管道16的相同侧上(未示出)。传感器12发送信号18穿过管道16中的流体介质20(即，液体和/或气体或多相流)以由传感器14接收。传感器14也发送信号通过管道16中的流体从而由传感器12接收。两个信号之间的通过时间的差异由流量计20计算，作为管道16中的流体的所得流量。

如上面的背景技术所述的那样，在典型的通过时间测量系统中，信号18沿着直径或直径方向的路径，即，图1B中的信号18沿着管道16的直径通过管道16的中心。同样，由于一个通道18单独通常不足以获得高精确度的测量，四个或多个传感器对(未示出)的四个或多个信号路径用于获得比较精确的平均流速V。虽然许多的多重传感器和多路径系统是已知的，但是一个这种实例记载在美国专利No.6,732,595中，其引用结合于此。美国专利No.6,732,595教导在流体所流过的多个正交平面中使用多个通道，用于通过时间的测量。

在流体介质包括散射体诸如小气泡、颗粒或夹带物质或者其他不同质物的情况下，散射体可以假定以流体速度流动。在这种情况下，所传送的超声波信号的多普勒频移的测量能够提供关于流体流速的信息。采用多普勒频移测量，已知一个时间窗，在该时间窗内，位于管道液体流中特定位置处的散射体的散射回来的超声波信号将返回接收传感器。在该时间窗中，多普勒频移，即，超声波频率的变化，被检测到。当在管道中的多个预定点处进行这些测量时，这已知为范围选通。

多普勒频移测量的一种方法示出在美国专利No.4,787,252，其引用结合于此。在美国专利No.4,787,252中，在管道中不同径向点处沿着直径路径从散射体(小气泡、颗粒或夹带物质)反向散射信号中的频移用于获取在那些径向点处的速度，这些速度值使用某些预定的权重因数取得平均值从而产生流动分布。

一般地，随着发送传感器和接收传感器对的数量增加，系统的成本也会增加。相反地，可使用能够发送和接收180°反向散射超声波信号的传感器来减小传感器对的数量。但是由于传感器本质的复杂性，这种传感器敏感性较差或者成本更高。如上所述，如果任何的传感器对被浸湿，即与流体接触，那么由传感器本身导致的流体的扰动会削弱一些由于使用多个传感器对而获得的精确度的增加量。

本发明的各个实施例使用不同类型、数量和设置方式的传感器来获得成本的节省和精确度的增加。

在本发明的一个方面中，图2A和2B所示的超声波流量计系统和方法100包括相对于管道120布置的传感器102、104，从而在传感器之间限定弦向通道122。发送传感器102和接收传感器104对产生通过时间信号，如现有技术中公知的那样。通过时间信号被输出至处理系统或子系统126。使用通过时间进行的典型流动速度的测量包括用户输入适当的信息到流量计124，诸如流体介质类型，计量因数，传感器类型和间隔，管道直径等，但是这都不是本发明的必要限制。通过时间表示所发出的超声波信号通过流体F穿过管道120移动以从一个传感器直接地行进至接收传感器所需的时间。

处理子系统126可包括控制器，用于控制从传感器发送通过流体F的超声波脉冲，并且用以激发发送传感器102从而发出脉冲信号，以测量沿着弦向路径122所经过的时间。处理子系统126的构造使得其也可激发发送传感器102从而对于在管道120内的流体F中的多个深度点R中的每一个发出范围选通多普勒信号。

在图2A和2B的实施例中，传感器102作为用于通过时间速度测量的超声波信号的发送器和定位成接收散射能量130从而生成范围选通多普勒或多普勒频移信号的接收器。该多普勒频移信号输出至处理子系统126。所散射的能量130由管道120内的流体F中的诸如气泡、颗粒或其他掺杂物质或不同物质的散射体从各个点R沿着超声波信号通道122向回反射。由传感器102接收的向回散射的超声波中的频移可被处理。如上所述，已知一个时间窗，它是由管道中在各个点R处定位的掺杂颗粒向回散射的超声波信号返回至接收传感器102所需要的时间窗。在该时间窗中，多普勒频移，即在预定的各个点R处的信号的频率变化，被检测到，其公知为范围选通。这种范围选通多普勒信号由传感器102生成，该传感器102能够作为从尽可能多的点R按照需要向回散射的能量的接收器。如图2A和2B所示，传感器102接收向回散射大概180°的散射能量130。同样，如图所示，传感器位于管道的相对侧上。这并不是一个必要的限定，对于通过时间或范围选通多普勒测量来说，传感器可位于管或管道的相同侧上。

处理子系统126也配置成响应于通过时间信号和范围选通多普勒信号。一般地，处理子系统126配置以在激发每个发送传感器之后处理来自于每个接收传感器的范围选通多普勒信号。在这里所述的每个实施例中，传感器连接至流量计124。

因此，生成通过时间信号从而根据通过时间方法计算速度，但是利用设置在弦向非直径路径上的一对传感器。也可获得多普勒频移信息，并且与通过时间信息相结合，能够在最小数量传感器的情况下增加流体速度测量的精确度。如下面更全面讨论的，根据通过时间信号和范围选通多普勒信号信息，处理子系统126还用以生成管道120中的流体F的速度分布图并且为用户输出流体数据，包括流过管道的流体的平均流量，一般经由显示器128输出。

在另一实施例中，其他的传感器或传感器路径可以代替更高端的传感器。如图3所示，传感器106是配置以接收散射能量130的接收传感器。传感器102和104的操作方式与第一实施例类似，除了传感器102不需要配置以接收180°返回的散射能量，因此可以不很复杂并且不很昂贵。不同于图2B的实施例，散射的能量不是在180°散射，而是取决于点R的位置的一些其他的角度。如同采用所有实施例那样，存在任何数量的可以接收散射能量的点R，因此，任何数量的角度都可以存在，只要特定的应用情况需要。同样明显的是，在一项实例中，传感器106可以设置在其他位置(虚线所示)从而从不同角度接收散射的能量130’。在另一实例中，可添加传感器108从而设置第二通过时间路径125，在这种情况下，传感器106、108配置作为另一发送器/接收器对来生成第二通过时间信号。如这里所使用的，通过时间路径-可以按照特定的应用情况设置成弦向路径或直径路径-被限定为发送传感器与接收传感器之间通过管道中流动的液体的直线路径。如图所示，通过时间路径125是直径路径。因此，各个实施例可根据特定应用情况所需要的那样提供关于传感器的类型、数量和位置的灵活性。

图4和5所示的实施例包括三个传感器对。图4中，传感器对102、104布置为弦向路径122上的发送器和接收器，用于生成与路径122相关联的通过时间信号。对于与流过管道120的横截面积的流体有关的改善的信息，传感器对110、112也布置为弦向路径132上的发送器和接收器并且生成与路径132相关联的通过时间信号。直径路径125上的传感器106布置成接收经散射后能量130的接收器。虽然从附图中示出，所有的传感器对都彼此平行，但是这并不是必要的，传感器对可以沿着管道120彼此间隔。同样对于与流过管道120的横截面积的流体相关的改善信息，接收传感器106可沿着弦向路径132从点R’处接收向回散射的能量140。所有的传感器102、104、106、108、110、112与诸如处理子系统126的处理子系统连接，图2A中，它配置为激发发送传感器并且接收通过时间和范围选通多普勒信号，并且生成流体的速度分布和平均流量，如在此所讨论的。

在图5的实施例中，传感器106配置以在直径路径125上传送超声波信号，从而测量通过时间，并且可代之以生成范围选通多普勒信号。传感器102配置以接收向回散射的能量145，传感器110配置以接收向回散射的能量150。在一项变化方案中，传感器102和110可配置以分别沿着径向路径122和132交替地传送和接收超声波信号，传感器104和112用于完善沿着这些弦向路径的相应传感器对。

如图6所示，每个传感器102、106、110可配置成用于通过时间测量和多普勒变化测量的发送器/接收器。在该实例中，每个传感器102、106和110发送并接收时间信号以及发送范围选通多普勒信号并且接收散射能量。如图所示，散射能量160、170、180分别以大概180°反射回传感器102、106和110。

但是，如同所有实施例那样，每个传感器诸如传感器102、106、110可定位成从不同的路径接收所散射的能量。在一项实例中，传感器106、110分别以180°以外的角度分别接收所散射的能量160’、160”。在另一实例中，传感器对110、112可如虚线所示定位从而以包括90°(未示出)的反射角度接收所散射的能量160’。在另一实施例中，传感器104、108和112也配置成通过时间信号的发送器和接收器、范围选通多普勒信号的发送器以及散射能量的接收器。

明显地，各种传感器构造和布置也可用于当超声波信号强度较弱时在不同位置进行测量和/或为了校验所进行的测量而设置冗余。

而且，在一些实施例中，接收传感器可从沿着由不同传感器对形成的路径生成的通过时间信号接收散射的能量。例如，图4中传感器106接收来自由传感器102沿着路径122生成的通过时间信号的散射能量130。但是，这并不是必要的。在备选实施例中，接收传感器可接收从其本身生成的通过时间信号向回散射的能量。在一项实例中，如图6，传感器102接收向回散射的能量170，该能量是通过时间信号传感器102本身沿着路径125生成的。但是，这些是非限制性实例，除了这些实例之外，传感器布置可使用在各种其他实施例中。

此外，虽然在图中未示出，但是清楚的是，可以设置多个发送和接收传感器对，每个都位于弦向路径上-并不只是两个传感器对-用于生成通过时间信号，每个对的接收传感器也接收所散射的能量从而产生范围选通多普勒信号。这可以通过按照需要添加传感器对来实现。

另外，在任何实施例中，一个或多个传感器可以是浸入式的。在非浸入式传感器的情况下，一般需要对管道外部作出一些改进从而在弦向路径上发送超声波信号，可使用已知的改进技术。

尤其采用三个路径，这三个路径中的一个或两个是弦向路径，通过时间和范围选通散射多普勒信号的组合提供了穿过管道横截面的管道流体分布的映射。

如上所述，如图2A，流量计124中的处理子系统126控制传感器并且在传感器已经接收通过时间信号并且接收向回散射的信号之后响应于由接收传感器所输出的信息。同样如上所述，处理子系统126根据传感器的类型、位置和数量进行不同方式的配置。在每种情况下，处理子系统126配置以将关于通过时间和多普勒频移的信息相结合从而产生速度分布并且产生三维流动分布。在一项实例中，接收传感器输出通过时间信号和多普勒信号至处理子系统。多普勒信号包括对管道中不同点处的超声波信号的频率中的多普勒频移。处理子系统126配置以响应于从接收传感器输出的通过时间信号和多普勒信号，处理子系统126还配置以生成速度分布并且由此产生三维流体分布。

根据本发明的系统和方法的一个方面，处理子系统126如图7所示进行配置。如图2A，处理子系统126配置以测量通过时间信号的通过时间并且确定管道中的流体的声音速度，该声音速度可以根据通过时间进行确定，以及使用通过时间和声音速度计算沿着通过时间路径的流体的平均速度，步骤210，图7。在一项实例中，采用图5的传感器构造，计算沿着通过时间路径125的流体的平均速度，以及流体的声音速度。这一步骤的测量、确定和计算可如上所述执行和/或通过现有技术中已知的系统和方法执行。但是，需要指出的是，本发明的系统和方法都不受到限制，沿着通过时间路径的平均速度可以沿着弦向或直径路径。

另外，处理子系统126配置以确定流体中、点速度要使用声音速度进行测量的点位置，步骤212，图7。如上所述，可以确定由传感器接收的向回散射的超声波的频移。因此，处理子系统126配置以测量频率中的变化-即，多普勒频移-并且使用频率中的变化计算不同点位置处的速度，步骤214。再次使用图5的实例，可以对每个或各点位置R确定位置R，以及频率变化，即，多普勒频移。根据所计算的点速度，产生速度分布，步骤216，图7。所产生的速度分布一般是三维速度分布，由数据获取配置而确定。例如，发送传感器、接收传感器和散射体位置之间的几何关系确定散射矢量。沿着散射矢量方向的测量的多普勒频移可分解为管道或管轴向分量和横向分量，对应于散射体的轴向和横向速度。例如，在图5中，传感器102和110相对于传感器106对称地定位。由相同的散射体的轴向速度导致的由传感器102和110接收的观察到的多普勒频移应当基本上相同。任何观察差异都说明在管道内的液体中存在横向速度分量。如果只关心轴向速度分量，那么轴向速度分量可以使用已知的方式分离出来。

在根据本发明的一项变化实施例中，使用所生成的速度分布校正沿着通过时间路径的平均速度，平均流量由此确定，步骤218。采用这种方式，平均速度以动态方式校正，而不是通过预定的分析或经验校正因数。因此，平均流量得到更精确的确定。此后，流体的平均流量和/或声音速度可以显示给使用者，步骤220。

图5的实例并不是限制性的，本发明的系统和方法可采用任何所需的传感器构造而实现。另外，本发明的系统、子系统、处理子系统和/或方法的各个部件或部分可嵌入在软件中，如本领域公知的那样，和/或可以是电脑或其他处理器的一部分，与其他系统分离开。例如，处理子系统可包括所有的子系统和方法等，如这里所述，包括整个系统所需的处理器和存储器。这些实例并不意味着对本发明进行限制，本发明的各个部件或部分可实现为电脑，诸如数字电脑，和/或结合在(各)软件模块中和/或可兼容于和/或嵌入于电脑或其他传统装置的电脑程序中，并且电脑的或装置的主要部件可包括例如：处理器或中央处理器(CPU)、至少一个输入/输出(I/O)装置(诸如键盘、鼠标、致密盘(CD)驱动等)、控制器、显示器装置、能够读取和/或写入计算机可读取代码的存储装置，以及存储器，所有这些都通过例如通信网络或总线相互连接。本发明的系统、子系统和/或方法可实现为电脑和/或存储在电脑或仪器中电脑可读取介质上存储的(各)软件程序和/或电脑可读取介质诸如磁带或CD。本发明的系统、子系统和/或方法也实现在多个电脑或装置中，各个部件物理上紧密相邻或者分布在大的地理区域上并且通过通信网络相连。

根据本发明的各个实施例获得的速度分布比仅沿着直径路径的先前已知的路径更精确。因此，所获得的流动分布和流量更精确。

因此，本发明的各个实施例将通过时间流体测量与使用弦向路径的范围选通多普勒测量相结合从而生成比较精确的流体分布和流量。该通过时间测量超声波信号脉冲行进的时间。范围选通多普勒测量沿着流体流移动的物体或散射体的向回散射。采用最小量传感器和传感器路径同时最小化传感器复杂度的情况下可获得更大的精确度，传感器和路径的各种组合可为用户提供更多的选项。此外，组合通过时间测量和范围选通多普勒允许速度和流量的动态校正并且与传统系统相比提供更精确的结果。

而且，所获得的流体分布不仅可用于获得更精确的流量，而且也可用于其他目的。本发明实施例的系统和方法可用于通过比较不同时间点中的管道分布随着时间监视管道或管的内部的变化。因此，管道条件的变化可在不进入管道的情况下得知，并且有利于在灾难或紧急情况出现之前确定是否进行更新或修复。同样，可以监视管道中流动的流体的类型的变化，以及多相流。

文字说明书使用实例来公开本发明，包括最佳实施方式，也使得本领域技术人员能够制造并且使用本发明。本发明的专利性范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员能够想到的其他实例。这些其他实例如果具有与权利要求的文字语言不通的结构性元件或者包括包括与权利要求的文字性语言具有不明显区别的等同结构性元件，那么这些实例意在处于权利要求的范围内。

虽然本发明的特定特征示出在一些附图中而非其他附图中，但是这只是为了方便起见，因为每个特征都可与根据本发明的任何或所有其他特征相结合。文字“包括”、“组成”、“具有”和“带有”如这里所使用的做广义和全面的理解，并不是局限于任何物理的相互连接性。而且，本发明中公开的任何实施例并不是仅有可能的实施例。本领域技术人员能够想到其他实施例，这些实施例都处于随后的权利要求的范围内。

另外，在本发明的专利申请的诉讼过程中进行的任何修改并不是对示出于提交时的申请中的任何权利要求元素的放弃：本领域技术人员在合理情况下并不能被期望撰写文字上覆盖所有可能的等同内容的权利要求，许多等同内容在修改时是不可预见的并且超过对所放弃内容(如果有的话)的正常理解，在修改背后的基本原理仅仅是与许多等同内容具有实际的联系，和/或存在许多其他原因，由此对于任何修改的权利要求元素，申请人并不能被预期记载特定的不明显的代替物。

Claims (32)

1.一种超声波流量计系统，包括：

相对于管道布置的传感器，以限定穿过流动于所述管道中的流体的至少一个弦向路径；

在所述弦向路径上的至少一个发送传感器和接收传感器对，用于生成通过时间信号；

至少一个接收传感器，定位成从所述流体中的任何数量的点和任何数量的角度接收散射的能量，从而生成范围选通多普勒信号；

处理子系统，用于激发至少一个发送传感器并且响应于所述通过时间信号和所述范围选通多普勒信号，并且配置以生成流动于所述管道中的流体的速度分布和平均速度；

其中，所述接收传感器输出通过时间和多普勒频移信号至所述处理子系统；

其中，所述处理子系统配置以：

测量所述通过时间信号的通过时间并且确定所述流体的声音速度；

使用所测量的通过时间和声音速度计算沿着至少一个通过时间路径的流体的平均速度；

确定所述流体中的点位置并且测量所述点位置处的点速度；以及

其中，所述点位置通过使用所述声音速度而被确定。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理子系统配置以测量多普勒频移从而计算所述点位置处的速度。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述处理子系统配置以根据所述点位置处的速度而生成速度分布。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述速度分布是三维速度分布。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述处理子系统配置以校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度从而确定平均流量。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述处理子系统配置以使用所述速度分布校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度。

7.根据权利要求5所述的系统，还包括用于显示所述平均流量的装置。

8.一种超声波流量计系统，包括：

相对于管道布置的两个发送传感器和接收传感器对，以限定穿过流动于所述管道中的流体的两个弦向路径；

设置在所述管道上的至少一个发送传感器和接收传感器对，用于限定直径路径并且生成通过时间信号；

至少一个接收传感器，定位成从所述流体中的任何数量的点和任何数量的角度接收所散射的能量从而生成范围选通多普勒信号；

处理子系统，用于激发所述发送传感器，并且响应于所述通过时间信号和范围选通多普勒信号，

所述处理子系统配置以：

测量所述通过时间信号的通过时间并且确定所述流体的声音速度；

使用所测量的通过时间和声音速度计算沿着至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度；

确定所述流体中的点位置并且测量在点位置处的点速度；

测量多普勒频移从而计算点位置处的速度；

根据所述点位置处的速度生成速度分布；以及

校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度从而确定平均流量。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，使用所测量的通过时间和声音速度计算所述流体的平均速度。

10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述点位置使用所述声音速度进行确定。

11.根据权利要求8所述的系统，其中，使用所述速度分布校正沿着至少一个通过时间路径的流体的平均速度。

12.根据权利要求8所述的系统，其中，所述速度分布是三维速度分布。

13.一种超声波流量计方法，包括：

相对于管道布置传感器，用于限定穿过流动于所述管道中的流体的至少一个弦向路径；

由所述弦向路径上的至少一个发送传感器和接收传感器对生成通过时间信号；

由定位成从所述流体中的任何数量的点和任何数量的角度接收所散射能量的至少一个接收传感器生成范围选通多普勒信号；

激发所述发送传感器；

根据所述通过时间信号和所述范围选通多普勒信号生成流动于所述管道中的流体的速度分布和平均速度，

其中，所述接收传感器输出通过时间和多普勒频移信号；

测量所述通过时间信号的通过时间并且确定所述流体的声音速度；

计算沿着至少一个通过时间路径的流体的平均速度；

使用所测量的通过时间和声音速度计算所述流体的平均速度；

确定所述流体中的点位置并且测量所述点位置处的点速度；以及

通过使用所述声音速度确定所述点位置。

14.根据权利要求13所述的方法，包括测量多普勒频移从而计算所述点位置处的速度。

15.根据权利要求14所述的方法，包括根据所述点位置处的速度而生成速度分布。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述速度分布是三维速度分布。

17.根据权利要求15所述的方法，包括校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度，并且确定平均流量。

18.根据权利要求17所述的方法，包括使用所述速度分布校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度。

19.根据权利要求17所述的方法，还包括用于显示所述平均流量的装置。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括用于显示所述流体的声音速度的装置。

21.一种超声波流量计方法，包括：

相对于管道布置两个发送传感器和接收传感器对，限定穿过流动于所述管道中的流体的两个弦向路径；

将至少一个发送传感器和接收传感器对布置在所述管道上从而限定直径路径并且用于生成通过时间信号；

定位至少一个所述接收传感器从而从所述流体中的任何数量的点和任何数量的角度接收所散射的能量从而生成范围选通多普勒信号，并且；

激发所述至少一个发送传感器；

测量所述通过时间信号的通过时间并且确定所述流体的声音速度；

使用所测量的通过时间和声音速度计算沿着至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度；

确定所述流体的点位置并且测量所述点位置处的点速度；

根据所述范围选通多普勒信号测量多普勒频移从而计算所述点位置处的速度；

根据所述点位置处的速度生成速度分布；以及

校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度并且确定平均流量。

22.根据权利要求21所述的方法，包括使用所测量的通过时间和声音速度计算所述流体的平均速度。

23.根据权利要求21所述的方法，包括使用所述声音速度确定所述点位置。

24.根据权利要求21所述的方法，包括使用所述速度分布校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度。

25.根据权利要求21所述的方法，所述速度分布是三维分布。

26.一种超声波流量计系统，包括：

相对于管道布置的传感器，以限定通过在所述管道中流动的流体的至少一个弦向路径；

在所述弦向路径上的至少一个发送传感器和接收传感器对，用于生成通过时间信号；

至少一个接收传感器，定位成从所述流体中的任何数量的点接收散射的超声波信号，以产生范围选通多普勒信号；

响应于所述通过时间信号和所述范围选通多普勒信号的处理子系统；

其中，所述接收传感器输出通过时间和多普勒频移信号至所述处理子系统；

所述处理子系统配置以测量所述通过时间信号的通过时间并且确定所述流体的声音速度并且使用所测量的通过时间和声音速度计算沿着至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度，处理子系统用于激发所述至少一个发送传感器，

所述处理子系统还配置以通过使用所述流体的声音速度确定所述流体的点位置并且测量多普勒频移以根据点位置处的点速度产生速度分布并由此建立三维流体分布。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述处理子系统配置以测量多普勒频移从而计算所述点位置处的速度。

28.根据权利要求27所述的系统，其中，所述处理子系统配置以根据所述点位置处的速度生成速度分布。

29.根据权利要求28所述的系统，其中，所述速度分布是三维速度分布。

30.根据权利要求28所述的系统，其中，所述处理子系统配置以校正沿着所述至少一个通过时间路径的所述流体的平均速度从而判定平均流量。

31.根据权利要求30所述的系统，其中，所述处理子系统配置以使用所述速度分布校正沿着所述至少一个通过时间的所述流体的平均速度。

32.根据权利要求30所述的系统，还包括用于显示所述平均流量的装置。

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