CN101918902A - 用于时差法超声波流量计的湍流调节器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于确定管道中的流体流量的装置、用于确定管道中的流体流量的方法及用于制造湍流调节器的方法。该装置包括通过至少一对孔与管道的内部连通的超声波流量计，该一对孔中的每个孔均具有有效直径。该装置包括设置在具有开口的管道中的湍流调节器，开口之间的节距是孔的有效直径的函数。用于管道的湍流调节器具有开口和节距。该调节器具有位于开口之间的壁，该壁的厚度是节距的函数。该调节器具有为节距的函数的长度。用于确定流体流量的方法包括使流体流过设置在具有开口的管道中的湍流调节器的步骤，开口之间的节距是超声波流量计的孔的有效直径的函数，该超声波流量计通过孔与管道的内部连通。存在用流量计测量流量的步骤。

Description

用于时差法超声波流量计的湍流调节器及方法

技术领域

本发明涉及改变管道中的湍流结构使得由湍流调节器下游的时差法超声波流量计测量出的流体速度的湍流变化被减小很多(如本文所使用的，对“本发明”或“发明”的参考涉及示例性实施例但不一定涉及所附权利要求涵盖的每个实施例)。湍流速度变化的减小有利于超声波流量计的“标定”(确认其针对标准的刻度)，从而与没有湍流调节器并使用相同的超声波流量计和相同的校准仪操作的情况相比，可以利用明显更少的校准仪试航来确认此刻度。

背景技术

本部分意在向读者介绍可能与本发明的各方面有关的技术的各方面。以下讨论意在提供便于更好地理解本发明的信息。因此，应理解的是，据此来阅读以下讨论中的说明，而不是认可以下讨论作为现有技术。

时差法超声波流量计已在许多流量测量应用中表现出优良的可重复性和绝对准确度。然而，当将这些流量计应用于石油产品的交接测量时，这些流量计的测量性质所固有的特性带来困难。当一批特定产品的所有权改变时，进行交接。在小规模情况下，在加油站的所有者与其客户之间，在加油站中的泵处进行此类交接。

在交接测量的工业实践中，用独立的装置来“标定”流量计，即准确地确定其刻度。校准仪通常是具有精确确定的固定容积的设备。输送由校准仪限定的一定容积的产品所需的时间由被产品从校准仪的一端推到另一端的球状物或活塞的渡越时间来准确地确定。高速换向阀触发校准仪试航并在球状物到达其行程的结束时绕过校准仪。在校准仪的起始和结束处的行程开关使标定操作与交接计量仪的操作同步(该交接计量仪用来测量被输送给特定用户的产品的量)。将在标定试航期间由交接计量仪(在传统实践中，为涡流式流量计或容积式流量计)测量出的容积输出与校准仪的容积相比较并确定仪表校正因数(即刻度修正)。

在工业实践中还执行一组多次校准仪试航(典型的是5次)以确定交接计量仪的仪表校正因数的“可重复性”。通常如下定义石油工业中的可重复性：来自一组校准仪试航的高仪表校正因数与低仪表校正因数之间的差除以来自该组的低仪表校正因数。一组标定试航的可重复性(或用统计学术语表示为“极差”)是对由该组试航的结果的平均值所确定的仪表校正因数的不确定度的度量。例如，校准仪的5次试航中的0.05％的可重复性表示交接计量仪的真实仪表校正因数在来自该试航组的平均仪表校正因数的±0.027％区段内，置信度为95％。具有此准确度的仪表校正因数是用于交接测量的公认标准。

与涡流式或容积式流量计不同，时差法超声波流量计不是连续地测量容积流量，而是根据流体速度的多次采样来对容积流量进行推断。具体而言，根据被投影到一个或多个声波路径上的轴向流体速度的周期性测量来确定容积流量(沿着该路径测量超声波脉冲的渡越时间)。根据适合于其在管道中的数目和位置的规则来组合路径速度测量。许多仪表采用依照特定的数值积分法布置的平行弦式路径。

由路径渡越时间、路径数目以及时差法超声波流量计本身的数据处理能力来确定该时差法超声波流量计收集一组速度测量结果(根据路径数目，速度测量结果为一个或多个)的时间段。对于液体流量计而言，通常在5至100毫秒范围内的时间段内收集流量样本，结果得到10Hz与200Hz之间的采样频率。这些数值对于不同的超声波流量计设计而言可能是不同的。

因此，出于如下两个原因，超声波流量测量是样本数据系统：

(1)它不是测量跨越管道横截面各处的速度，而是仅仅测量沿着声波路径的速度，以及

(2)它不是连续地测量速度，而是取速度的一系列“快照(snapshot)”，并根据该速度的一系列“快照”来确定平均值。

由于这些性质，时差法超声波流量计以与一般用于石油工业中的交接的其它流量计不同的方式对类似于湍流的流动现象进行响应。更具体而言，时差法超声波流量计的单独流量测量将受到局部流体速度的小规模随机(即湍流)变化的影响。这些变化是时间和空间上的，并且超声波仪器必须进行多次测量以确定真实平均流量(将由于湍流而引起的随机误差减小至可接受的水平)。另一方面，涡流式流量计和容积式流量计总体上对管道中的流场进行响应；空间和时间上的流体流速的融合是其响应的本质中所固有的。另一方面，时差法超声波流量计不受累于类似旁路渗漏和摩擦的物理限制，并且因此可以提供较宽范围的速度和粘度条件下的测量能力。

对于交接而言，流量计被设计为产生从其中通过的流体的每单位容积脉冲(例如1000脉冲/桶)。仪表校正因数MF由下式给出：

MF＝V/NP

这里，V是校准仪的位于嵌入该校准仪壁中的两个行程开关之间的标准容积。当标定试航被触发时，流动的流体转向通过校准仪并推动球状物或活塞通过上游开关，从而触发试航，该试航在球状物或活塞到达下游开关时终止。

NP是由校准仪在从上游开关被触发时(时刻T1)开始到下游开关被触发时(时刻T2)结束的时间段内产生的脉冲的数目。

超声波流量计根据沿着一个或多个声波路径的流体速度的单独测量结果来确定以每秒的容积量为单位的流量Q。因此，超声波流量计必须借助于以准确地与容积流量成比例的速率k产生脉冲的频率转换器来产生脉冲。因此，脉冲的数目NP由下式给出：

NP＝kQ(T2-T1)

如果忽略标准的容积中的不确定度、频率转换器k、以及上游开关和下游开关的触发(这些项目通常比与流量仪器校准相关的不确定度小一个数量级。在更详细的分析中，不忽略这些项目)，则由下式给出对于95％置信水平而言仪表校正因数中的每单位不确定度：

dMF/MF＝2dQ(N)/Q＝2σ_mean(N)

其中，dQ(N)是在标定期间收集的N个流量样本的一个平均值标准差，或σ_mean(N)。

由下式给出在标定试航期间获取的N个代表性流量样本的一个平均值标准差：

σ_mean(N)＝S/(N)^1/2

这里，S是流量样本的总体标准差，即在超声波流量计的单独流量测量中由湍流产生的从一个流量样本到下一个样本的随机变化率的量化表征。

以上等式的检验显示出为实现超声波流量计中令人满意的标定性能而必须进行控制的变量是：湍流强度，其与在每次标定试航期间累计的样本数目N相结合地影响流量样本的标准差S。这些参数必须使得σ_mean(N)足够小以保证所测量的仪表校正因数的范围不超过要求。计算表明：如果可以使σ_mean(N)变小，则仪表将在99％以上的时间成功地进行标定。

满足这些要求不是简单的事。当典型的线校准仪以公称流量操作时，单个标定试航的持续时间约为20秒左右。如果采取50Hz的采样频率，则在标定试航期间将收集的样本的数目是20×50＝1000。如在先前参考的专利中所述，虽然上游管道系统可能引起低到1.2％或高达3％的变化，但4路弦式超声波的流量测量中由于湍流而引起的随机变化在1.75％范围内(一个标准差或S)。替换1.2％数值，20秒标定试航将产生约0.04％的σ_mean(N)。利用σ_mean(N)的该值，在0.05％范围内获得一组5次标定试航的概率小于40％，其为本质上符合实际标定经验的数值。经验还证实了计算所显示的内容：较高的湍流将产生较低的成功概率。

这就是问题所在。诸如通常在石油产品管线中遇到的湍流不利地影响在短持续时间校准仪试航所测量的时差法超声波流量计的仪表校正因数的可重复性。除非改变湍流的特征，否则看起来用传统校准仪测量的超声波流量计仪表校正因数将不会达到满足石油工业期望值的可重复性数值。

美国专利No.6,647,806是基于由Dryden提出的假设(Hugh L.Dryden和G.B.Schubauer，The Use of Damping Screens for the Reduction of Wind Tunnel Turbulence，Journal of Aeronautical Science，April 1947)。他使由级联的一系列的一个或多个精细筛网产生的湍流的减少依赖于直径非常小的涡流的产生，该涡流的能量在一个或多个筛网下游的沉降室中作为热量消散。由于用于抵抗由液体流产生的液压力的筛网在结构上是不切实际的，所以该专利提出的装置试图产生与板中的相对小的孔相同的效果。在下文复制的该专利的表1的数目中将看到所实现的改善很小。在先专利中提到的湍流变化的最大程度的减小是由渐缩器单独地或与具有小孔的板相结合地产生的。

从美国专利6,647,806 B1复制的表1

湍流调节器结构	一个流量样本的标准差
		没有扩散器机构的直管道	1.2％至1.75％*
大穿孔板	1.61％
		小穿孔板	0.93％
紧接上游的渐缩器	0.63％
		渐缩器/大穿孔板	0.64％
渐缩器/小穿孔板	0.59％

*较小的数值未被包括在参考的专利中，但反映了在该专利提交之后进行的多次测量。在水力紊乱处(诸如在弯管、复合弯管以及集管出口处)下游的5至10个直径处可以发现高于1.75％的标准差。

本发明的湍流调节器所采用的用于减小湍流影响的方法不依赖于通过使非常小的涡流消散来消除湍流。相反，本发明通过减小涡流的尺寸以在超声波流量计的声束内有效地使涡流的尺寸平均化来减小流量样本的随机偏差。

由本发明的湍流调节器产生的涡流尺寸的减小还导致由湍流产生的流体速度的随机变化频率的增加。该频率增加还通过使得在标定试航期间所收集的N个速度测量的有限样本更能代表速度变化的总体而得到改善的标定性能。

发明内容

本发明涉及用于确定管道中的流体流量的装置。该装置包括超声波流量计，该超声波流量计通过至少一对孔与管道的内部连通，其中，所述一对孔中的每个孔均具有有效直径。该装置包括设置在具有开口的管道中的湍流调节器，其中，开口之间的节距是孔的有效直径的函数。

本发明涉及用于管道的湍流调节器。该调节器具有开口和节距。该调节器具有位于开口之间的壁，该壁的厚度是节距的函数。该调节器具有为节距的函数的长度。

本发明涉及用于确定管道中的流体流量的方法。该方法包括使流体流过设置在具有开口的管道中的湍流调节器的步骤，其中，开口之间的节距是超声波流量计的孔的有效直径的函数，所述超声波流量计通过孔与管道的内部连通。存在用流量计测量流量的步骤。

本发明涉及用于制造与管道中的超声波流量计一起使用的湍流调节器的方法。该方法包括识别管道中的孔的有效直径的步骤，所述流量计通过所述孔与管道的内部连通。存在根据有效直径来确定调节器中的孔之间的节距的步骤。

本发明涉及用于确定管道中的流体流量的装置，该装置包括时差法超声波流量计和改变湍流的湍流调节器，两者均被设置在管道中。由该装置进行的湍流改变使得可以在校准仪(容积标准)的几次试航中确定满足非常精确的准确度要求的仪表校准，否则这是不可实现的能力。描述了将对湍流产生所需改变的多种湍流调节器结构。还描述了装置的第二种布置。该第二种布置采用在湍流调节器的下游且在流量计的上游设置渐缩管嘴的结构。

附图说明

图1A是从上游看到的蜂窝式调节器，并且以虚线示出下游的弦式流量计的换能器孔。

图1B是蜂窝式调节器的剖视图(未示出弦式流量计，但该弦式流量计与下凸缘接合)。

图2是同样在本文中描述的蜂窝式湍流调节器的透视图，在下游具有弦式超声波流量计。

图3A是同样在本文中描述的“蛋箱”湍流调节器的透视图，在下游具有弦式超声波流量计。

图3B是“蛋箱”湍流调节器的剖视图。

图3C是“蛋箱”湍流调节器的侧剖视图。

图4A是同样在本文中描述的“微管”湍流调节器的透视图，在下游具有渐缩管嘴和弦式流量计(和流量计下游的扩张管嘴，以保持上游和下游的管道直径)。

图4B是“微管”湍流调节器的剖视图。

图4C是“蛋箱”湍流调节器的侧剖视图。

图5是示出与超声波束相交的湍涡的示意图，(a)没有湍流调节器和(b)具有本发明的湍流调节器。

图6是使用本文所述的蜂窝式湍流调节器和流量计获得的实验结果图，示出利用流量样本的一个标准差测量出的流量变化的幅值与流量的关系。还示出了在没有湍流调节器的情况下通常将获得的变化的幅值。

图7是实验结果图，示出针对在测量期间存在的流量典型的标定容积，利用本文所述的蜂窝式湍流调节器和超声波流量计获得的一组5个仪表校正因数测量结果的平均范围与在标定试航期间计算出的平均流量标准差的关系。

图8是实验结果的条形图，示出在每组5次标定试航的成功组的百分比与在标定试航期间计算出的平均流量标准差的关系。

图9是具有不同尺寸的孔的调节器的横截面图。

图10和11示出其中孔不具有相同尺寸的调节器。

图12是带有具有2条边的孔的调节器的横截面图。

具体实施方式

现在参照附图，其中，相同的附图标记在多个视图中自始至终指的是类似或相同的部分，更具体而言，图1A、1B、2、3A、3B、3C、4A、4B和4C示出了用于确定管道12中的流体流量的示例性装置10。装置10包括通过至少一对孔18与管道12的内部连通的超声波流量计14，其中，一对孔18中的每个孔18具有有效直径。装置10包括设置在具有开口22的管道12中的湍流调节器16，其中，开口22之间的节距是孔18的有效直径的函数。

调节器16具有位于开口22之间的壁20，该壁20的厚度可以是所述节距的函数。调节器16的长度可以是所述节距的函数。可以将超声波流量计14设置为在调节器16下游位于距调节器16的距离为管道12的内径的3倍处。所述节距可以小于孔18的有效直径。壁20可以具有在节距的1/4与1/10之间的厚度。所述长度可以是节距的5至20倍。所述节距可以是超声波流量计14的直径的函数。所述节距可以是超声波流量计14的最大速度的函数。所述节距可以是超声波流量计14的采样率的函数。

孔可以具有两条边或更多条边的横截面。图12示出具有两条边的孔。或者，如图4a和4b所示，孔可以具有圆形横截面。可以在管道12中将过滤器26设置在调节器16的上游。可以在管道12中设置管嘴24，该管嘴24位于流量计14的上游且位于调节器16的下游。超声波流量计14和调节器16可以满足对最大和最小流动速度的标定要求，该流量计是针对该流动速度而设计的。调节器16和超声波流量计14可以满足5次标定试航中的+/-0.027％不确定度的标定要求。

如图1A、1B、2、3A、3B、3C、4A、4B和4C所示，本发明涉及用于管道12的湍流调节器16。调节器16具有开口22和节距。调节器16具有位于开口22之间的壁20，该壁20的厚度是所述节距的函数。调节器16具有为节距的函数的长度。

本发明涉及用于确定管道12中的流体流量的方法。该方法包括使流体流过设置在具有开口22的管道12中的湍流调节器16的步骤，其中，开口22之间的节距是超声波流量计14的孔18的有效直径的函数，该超声波流量计14通过孔18与管道12的内部连通。存在用超声波流量计14测量流量的步骤。

使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过如下湍流调节器16的步骤，其中，调节器16具有位于开口22之间的壁20，该壁20的厚度是所述节距的函数。使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过其长度是所述节距的函数的湍流调节器16的步骤。使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过这样的湍流调节器16的步骤：该调节器16设置为在调节器16上游位于距调节器的距离为管道12的内径的3倍处。

使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过其中所述节距小于孔18的有效直径的湍流调节器16的步骤。使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过这样的湍流调节器16的步骤：壁20具有在所述节距的1/4至1/10之间的厚度。使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过其长度是所述节距的5至20倍的湍流调节器16的步骤。

使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过其中孔具有两条边或更多条边的横截面的湍流调节器16的步骤。或者，使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过其中孔具有圆形横截面的湍流调节器16的步骤。

使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过在管道12中设置在调节器16的上游的过滤器26的步骤。使流体流过湍流调节器16的步骤可以包括使流体流过设置在管道12中的管嘴24的步骤，该管嘴24位于流量计14的上游且位于调节器16的下游。该测量步骤可以包括用满足标定要求的超声波流量计14测量流量的步骤。该测量步骤可以包括用在5次标定试航中满足+/-0.027％不确定度的标定要求的超声波流量计14来测量流量的步骤。

本发明涉及一种用于制造供管道12中的超声波流量计14使用的湍流调节器16的方法。该方法包括识别管道12中的孔的有效直径的步骤，流量计14通过孔与管道12的内部连通。存在根据有效直径来确定调节器16中的孔之间的节距的步骤。

可以存在根据节距来确定开口之间的壁厚的步骤。可以存在根据节距来确定调节器16的长度的步骤。可以存在构建具有在确定步骤中所确定的节距、壁厚和长度的调节器16的步骤。该构建步骤可以包括制造具有孔22的中心部分35，将该中心部分切割至满足针对节距、壁厚和长度所确定的设计参数的长度和直径、并将凸缘37安装于中心部分35，因此可以将该中心部分承座在管道12中。

本发明涉及用于确定管道12中的流体流量的装置10，该装置10包括改变湍流的湍流调节器16和时差法超声波流量计14，湍流调节器16和时差法超声波流量计14这两者均被设置在管道12中。该布置有利于在与竞争技术的流量计(涡流式流量计或容积式流量计)所要求的次数相当或更少次数的校准仪试航中“标定”超声波流量计14(这是用超声波流量计14的传统布置不可能实现的)。描述了用于湍流调节器16的多种替换结构。还可以将湍流调节器16应用于封闭管道和在现有技术中已描述的超声波流量计14的替换布置，并且在超声波流量计14的上游且在湍流调节器16的下游采用管嘴24式渐缩器，标定结果比先前用此布置实现的更好。

图1A、1B和2示出本发明所描述的由本发明采用的在下游具有弦式超声波流量计14的多个替换湍流调节器16之一。已对具有六条边的称为“蜂窝”的结构进行测试以证明本发明的能力。在稍后的段落中将描述结果。本发明的示例性实施例的关键尺寸要求如下：

1.在图示的结构中，蜂窝式湍流调节器16的节距(开口22的中心之间的间距)是超声波流量计14的孔18的有效直径的二分之一(1/4A英寸节距比1/2英寸孔)；虽然通常该节距应小于孔18的有效直径。如果包含超声波换能器组件的管道12穿透的钻孔等于或几乎等于换能器组件的直径，则孔18的直径等于换能器组件的直径。在某些超声波流量计14的设计中，超声波能量通过的管道12的内壁20中的开口22的小直径小于换能器组件的直径。在这种情况下，开口22的此小直径是孔18的有效直径。已经用1/4英寸节距与1/2英寸孔18的比率获得流量变化的显著减小。然而，如果节距与孔18的比小于二分之一，则甚至可以使流量变化进一步的减小。

2.蜂窝湍流调节器16的壁20的厚度是节距的一小部分(约1/10)。计算显示：壁厚相对于湍流调节器16的节距而言较薄的壁20(壁厚在节距的1/4至1/10范围内)将为湍流调节器16提供适当的结构强度。由于壁20是薄的，所以产生的涡流具有极小的直径(小到足以不影响由超声波流量计14测量的流动速度的净统计数值)(因为涡流相对于孔18的直径而言非常小)。在此方面，本发明所涵盖的蜂窝结构和其它湍流调节器16的结构固有地优于先前参考的专利的板式调节器16，在板式调节器16中，联结件(ligaments)的尺寸与孔的尺寸处于同一数量级。

3.湍流调节器16的轴向长度在节距的5至20倍范围内。此长度足以消除由调节器16的管道上游的特征产生的全局涡流，从而不再需要附加的流动调节。通常为涡流式流量计和超声波流量计14提供采用具有孔的大直径管或板的湍流调节器16以消除全局涡流。利用本发明所提出的湍流调节器16，将不需要这些。5∶1至20∶1的长度与节距比还提供轴向刚性的结构，从而产生不在流动流中显著偏斜且强到足以经受住流动力的结构。本文所述的湍流调节器16的计算压降与传统管式流量调节器的压降相当。本文所述的湍流调节器16的压降小于如先前参考的专利中所述的板式湍流调节器16的压降。

4.在图2中，超声波流量计14在湍流调节器16的下游近似地位于距调节器的距离为管道12的内径的1倍处。稍后讨论的数据显示用此结构实现了标定性能的明显改善。位于管道12的内径的3倍的范围内的间隔将产生令人满意的性能。较大的间隔将允许涡流聚集成较大的涡流和形成新涡流，从而降低超声波流量计14的声束在对湍涡的旋转速度平均化时的有效性。短于1/2直径的轴向距离可以促使由湍流调节器16产生或保持的局部速度剖面摄动被超声波流量计14“看到”，并且降低以数字方式对轴向速度剖面求积分的能量。

图3A、3B、3C、4A、4B和4C示出满足上述要求的湍流调节器16的替换结构。对于每个设计而言，假定可以使得图3A、3B、和3C的蛋箱和图4A、4B、4C的管束充当板，从而可以在管之间传导下游端处的拉应力，则调节器16的轴向长度提供将轴向挠曲和应力降低至非常小的值的刚性。对于图4A、4B、和4C的管束设计而言，这用冗余手段来实现：

(a)通过在插入管束之前对封闭管道12加热100°F产生的冷缩配合，在管之间产生能够经受住趋向于使它们移位的液压力的摩擦力，以及

(b)在管束的下游端附近的相邻管之间实施点焊，保证该管束充当单个结构。或者，可以通过焊接来实现管之间的结合。

还将使用点焊来加强图3A和3B的蛋箱调节器16的下游角部。

由于石油管道存在碎屑(例如沉淀的蜡或沥青烯)，并且由于本发明中所描述的调节器16具有相对小的开口22，在本文所描述的湍流调节器16的上游距调节器16的距离为5倍或更多倍直径处安装箱型流过滤器26或细孔粗滤器是有益的。由过滤器26或粗滤器、湍流调节器16、和超声波流量计14本身所产生的聚集压力损失比竞争技术的小。涡流式超声波流量计14也受益于类似的过滤器26和具有类似压降的流调节器，并且涡流式超声波流量计本身产生压降，而超声波流量计14不产生的压降。容积式流量计14通常也具有过滤器26，并且虽然其通常不具有湍流或流量调节器，但其本身产生的压力损失比本文所述的湍流调节器16所产生的压力损失大。

图5A和5B示出本发明的原理。时差法超声波流量计测量从发送换能器发送到接收换能器的超声波能量的脉冲的行进时间。在图中，发送换能器已产生沿着流动的方向倾斜地跨越流动流行进的脉冲。脉冲的渡越时间由换能器之间的距离除以超声波的传播速度而得到的商给出。对于沿图所示方向的传输而言，传播速度是超声波在静止流体中的速度与投影到声波路径上的流体速度的和。当在相反的方向上产生第二传输时(即，从图中的下游换能器到上游换能器)，传播速度是超声波在静止流体中的速度与投影到声波路径上的流体速度之间的差。因此，已知路径长度，两次渡越时间测量提供具有下述两个未知数的二元二次方程：静止流体中的超声波速度和投影到声波路径上的流体速度。但是，如图5A所示，不仅由平均轴向速度的投影(需要测量的变量)，而且由来自加速或延迟在其路径上的脉冲的多个湍涡的净投影来确定投影到声波路径上的流体速度。沿相反方向的传输也受到湍流的影响，但通常不受相同涡流(其可能已在传输之间移动)的影响。因此，对于图5A所示的条件而言，需要进行多次测量以求得湍涡的效果的平均值并从而确定沿着该路径的平均轴向流体速度。

当使得最大涡流直径明显小于形成超声波的脉冲沿着行进的声波路径的换能器孔的直径时，在每次传输中趋向于消除由涡流的切向速度产生的对超声波传播速度的干扰。这在图5B中示出。在超声波的声束内，促进超声波传输的涡流的分量被使超声波传输延迟的同一涡流的分量抵消。涡流通常以接近于平均流体速度的速度(通常约为100英寸/秒的速度)移动。超声波的传播速度约为50,000英寸/秒的数量级。因此，在由(典型的)0.5英寸超声波传输声束产生的0.7英寸投影轴向宽度内的涡流在脉冲渡越期间的位移小到可以忽略。因此，规则是湍流调节器设计应仅允许明显小于孔径的那些涡流通过，并应驱散较大的涡流，使得只产生直径明显小于孔径的涡流。

如上所述，在本发明中，通过减小湍涡的尺寸以在超声波流量计14的声束内有效地使湍涡的尺寸平均化来使得超声波流量计14的流量样本的随机偏差变小。图6的数据示出这样的情况：即，在具有约1/2英寸直径的换能器孔18的6英寸双超声波流量计14(双超声波流量计14由两个本质上独立的各自为4路的超声波流量计14组成)中，由如图1A所示的1/4英寸蜂窝式湍流调节器16所产生的流量样本的随机偏差的减小。应看到，在9∶1的流量范围内，湍流调节器16对于单独流量样本产生约1/2％的标准差(与1.2％的标准差相比，可以预期该结果来自没有在湍流调节器16的直管道12中操作的同一超声波流量计14)。

流量样本中的标准差的减小转化为标定性能的改善。通过检验每组5次标定试航的组中的超声波流量计14的因数范围来测量具有蜂窝式调节器16的标定性能。以两种不同的流量并用两种不同的标定容积对两个4路超声波流量计14中的每一个执行十组的5次试航试验(总共对两个超声波流量计14中的每一个进行30组5次试航)。对于20个此类试航组而言，采用20桶的校准仪容积，分别以每小时3400桶和2700桶进行10组试航。对于其余试航而言，采用具有每小时3400桶的流量的10桶的校准仪容积。对于两种流量而言，10至20桶范围内的标定容积是典型的。

在图7中示出在具有图1的湍流调节器16的测试期间收集的标定数据。图7的横坐标是在前面部分中获得的流量可变性的统计特征：2×σ_mean，即在标定试航期间测量的单独流量样本的标准差除以该试航期间获取的样本数目N的平方根而得到的商的两倍。N被计算为超声波流量计14的采样率(约50Hz)与试航的持续时间的乘积。图7的纵坐标是标定试航的平均范围。数据的线性趋势显示来自一组5次标定试航的数据的平均范围近似等于2×σ_mean。

可以使用该趋势线来投影标定性能。如果测量结果的两个标准差是±0.025％，则正态分布显示出一次试航将超出包括平均值的0.05％区段的几率是二十分之一。其余4次试航中的任何一次将超出该区段的相对端的几率是四十分之一。因此，获得相差大于0.05％的两个结果的几率是：(1/20)×(1/40)+(1/20)×(1/40)+(1/20)×(1/40)+(1/20)×(1/40)＝0.005。根据2×σ_mean＝0.025％，5次标定试航组在99.5％的时间应在所规定的0.05％范围内。

图8示出实际上成功的5次试航标定组的百分比(满足对5次标定的0.05％范围的要求)。如上文所预计的，该图显示出：当2×σ_mean是0.025％或更小时，100％的5次试航组是成功的。当2×σ_mean在0.045％范围内时，约50％至70％的5次试航组是成功的。这些后来的结果大致上也符合统计预测。

图7和8的性能明显比利用没有湍流调节器16的相同弦式流量计14获得的性能更好。在没有调节器16的情况下，2σ_mean将在0.06％范围内，至少对于20桶标定而言如此，意味着成功率小于50％，这也符合经验。

如前所述，可以将诸如前文参考的专利(美国专利6,647,806，其通过引用的方式并入本文)所述的渐缩管嘴24应用于本文所述的湍流调节器16以进一步提高标定性能。图4示出位于渐缩管嘴24上游的满足本文所规定的尺度参数的管束湍流调节器16，并且超声波流量计14位于渐缩管嘴24的下游。超声波流量计14下游的扩张扩散器以最小的损失使上游管道12直径恢复。在流量管嘴24的结构中，超声波流量计14位于管嘴24的圆筒形喉部中，这增加被超声波流量计14视为比压平方的倒数的平均流体速度。比压是管嘴24喉部直径除以上游管道12直径而得到的商。由于下述缘故而发生湍流的减小：虽然管嘴24增大了平均流体速度，但其未显著改变湍涡的切向速度。因此，减小了作为平均流体速度的百分比的湍流。试验已经证明具有0.67的比压的管嘴24具有如预期的那样将单独流量测量的标准差减小二分之一的能力，这是因为(1/0.67)²≈1/2。通过使用位于湍流调节器16的下游且位于流量计14的上游的管嘴24将使图6的流量的标准差从0.5％减小至0.25％。该布置将使图7和8的数据减半(2σ_mean)，即使用10桶标定容积，也得到100％的成功。

应注意的是节距不必是固定的。图9示出调节器16的横截面的某一部分中的较大孔。图10和11显示开口22不具有相同的尺寸，而开口的尺寸是不同的。

虽然已出于解释的目的在前述实施例中详细描述了本发明，但应理解的是此类细节仅仅是用于解释的目的，除了如所附权利要求所描述的情况以外，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对其进行变更。

Claims (29)

1.一种用于确定管道中的流体流量的装置，包括：

超声波流量计，其通过至少一对孔与所述管道的内部连通，其中，所述一对孔中的每个孔均具有有效直径；以及

湍流调节器，其设置在具有开口的所述管道中，所述开口之间的节距是所述孔的有效直径的函数。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述湍流调节器具有位于所述开口之间的壁，所述壁的厚度是所述节距的函数。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述湍流调节器具有为所述节距的函数的长度。

4.如权利要求3所述的装置，其中，所述超声波流量计被设置成在所述湍流调节器下游位于距所述湍流调节器的距离为管道的内径的3倍处。

5.如权利要求4所述的装置，其中，所述节距小于所述孔的有效直径。

6.如权利要求5所述的装置，其中，所述壁的厚度在所述节距的1/4至1/10之间。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述长度是所述节距的5至20倍。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述孔具有两条边或更多条边的横截面。

9.如权利要求7所述的装置，其中，所述孔具有圆形横截面。

10.如权利要求7所述的装置，包括在所述湍流调节器的上游设置在所述管道中的过滤器。

11.如权利要求10所述的装置，包括设置在所述管道中的管嘴，所述管嘴位于所述超声波流量计的上游且位于所述湍流调节器的下游。

12.如权利要求11所述的装置，其中，所述节距是所述超声波流量计的最大速度的函数。

13.一种用于管道的湍流调节器，所述湍流调节器具有开口和节距并且具有位于所述开口之间的壁，所述壁的厚度是所述节距的函数，所述湍流调节器具有为所述节距的函数的长度。

14.一种用于确定管道中的流体流量的方法，包括步骤：

使流体流过设置在具有开口的管道中的湍流调节器，其中，所述开口之间的节距是超声波流量计的孔的有效直径的函数，所述超声波流量计通过所述孔与所述管道的内部连通；以及

用所述超声波流量计来测量流量。

15.如权利要求14所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过下述湍流调节器的步骤：所述湍流调节器具有位于所述开口之间的壁，并且所述壁的厚度是所述节距的函数。

16.如权利要求15所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过下述湍流调节器的步骤：所述湍流调节器具有为所述节距的函数的长度。

17.如权利要求16所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过下述湍流调节器的步骤：所述湍流调节器设置成在调节器上游位于距所述调节器的距离为管道的内径的3倍处。

18.如权利要求17所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过下述湍流调节器的步骤：在所述湍流调节器中，所述节距小于所述孔的有效直径。

19.如权利要求18所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过下述湍流调节器的步骤：在所述湍流调节器中，所述壁的厚度在所述节距的1/4至1/10之间。

20.如权利要求19所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过下述湍流调节器的步骤：在所述湍流调节器中，所述长度是所述节距的5至20倍。

21.如权利要求20所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过下述湍流调节器的步骤：在所述湍流调节器中，所述孔具有两条边或更多条边的横截面。

22.如权利要求20所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过下述湍流调节器的步骤：在所述湍流调节器中，所述孔具有圆形横截面。

23.如权利要求20所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过过滤器的步骤，所述过滤器设置在所述管道中，位于所述湍流调节器的上游。

24.如权利要求20所述的方法，其中，使流体流过湍流调节器的步骤包括使流体流过管嘴的步骤，所述管嘴设置在所述管道中，位于所述超声波流量计的上游且位于所述湍流调节器的下游。

25.如权利要求20所述的方法，其中，所述测量步骤包括用满足标定要求的流量计来测量流量的步骤。

26.一种用于制造与管道中的超声波流量计一起使用的湍流调节器的方法，包括步骤：

识别所述管道中的孔的有效直径，所述超声波流量计通过所述孔与所述管道的内部连通；以及

根据所述有效直径来确定所述湍流调节器中的孔之间的节距。

27.如权利要求26所述的方法，包括根据所述节距函数确定开口之间的壁厚的步骤。

28.如权利要求27所述的方法，包括根据所述节距函数确定所述湍流调节器的长度的步骤。

29.如权利要求28所述的方法，包括构建具有在确定步骤中确定的节距、壁厚和长度的湍流调节器的步骤。

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