CN102288780B - 管路中流体流动速度的超声波测量 - Google Patents

管路中流体流动速度的超声波测量 Download PDF

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Abstract

管路中流体流动速度的超声波测量，使用用于测量管路中流体流速的超声波测量装置，具有：数个超声波转换器，其分别成对地在彼此间张开多个主测量路径和至少一个诊断测量路径；评估单元，用于在每个测量路径上为由顺流和逆流发送和接收的超声波的传播时间中得出的流速各确定一单个测量值，将主测量路径的单个测量值换算成流速的主测量值，从诊断测量路径的至少一个单个测量值中确定诊断测量值，并将这两种测量值相互比较。至少一些超声波转换器具有加宽的发送和接收波瓣，从而在其发送和接收波瓣中布置有多个超声波转换器，由此，在每两个相互对准的超声波转换器间张开的初级测量路径外还开启附加的次级测量路径作为主测量路径或诊断测量路径。

Description

管路中流体流动速度的超声波测量
技术领域
本发明涉及一种超声波装置和用于测量管路中流体的流动速度的方法。
背景技术
可以借助超声波技术按照时差法来探明在管路和通道内的流动速度。一个重要且要求高的应用领域是用于天然气管道的气体计量表，在该处由于巨大的输送气体量和原料价值，所以在测量精确度上最小的偏差非常明显地相应于惊人的经济价值。
在图8中示出了一种公知的测量原理。作为传统测量装置110的基本组件，在管路12的壁内成角度地布置有两个超声波转换器118、120，在管路中流体114在箭头方向116上流动。在超声波转换器118、120之间的测量路径上横向于流体流动发送和接收超声波脉冲，其中，所述超声波转换器118、120交替地作为发射器和接收器工作。穿过流体输送的超声波信号沿流动方向加速，而逆着流动方向减速。将因此引起的传播时间差利用几何量换算成流体的平均流动速度。由此，利用横截面积得出运行体积流量，例如在按照体积结算流体时，该运行体积流量是感兴趣的测量参数。通过以下变量来说明几何关系：
v：在导管中的流体的流动速度
L：在两个超声波转换器之间的测量路径的长度
α：角度，超声波转换器以该角度发射和接收信号
Q：体积流量
D：导管的直径
tv：超声波顺着流动的传播时间
tr：超声波逆着流动的传播时间
由此，为探求到的参数v和Q得出以下关系式：
v＝L/(2cosα)(1/tv-1/tr)和
Q＝v1/4D2π。
相应地，以这种方式确定在测量路径的位置上的局部平均流动速度。但是仅在均匀的流动中才得出精确的测量值。因此，对于要求较高的应用领域在管路的横截面上几何地分布了多个测量路径。则通过单个测量路径的测量值的加权加法探明用于关于整个横截面积的平均流动速度的更精确的值。在ISO178089-1标准中介绍了一系列的测量路径配置或者说布局。
即使利用多个测量路径，从由测量路径形成的单个取样点得出的平均面流动速度上的过渡还是与近似误差相关联。这种误差不总是最小，而是例如仅当所测量的流型符合为近似多项式选择的流型时，该误差才最小。但是由于几何学上的原因，测量路径的增加仅能受限制地实现，此外，与制造成本的显著升高相关联。
由EP2072972A1公知一种用于测量在管内的流体运动的装置，该装置具有总共32个成对相互对准的超声波转换器，其中，附加的测量路径同样向着与所配属的超声波转换器相邻的超声波转换器张开。这种超大量的超声波转换器和测量路径导致非常昂贵的系统和复杂的评估过程。在此，同样在底部上设置有超声波转换器，但是在实践中常常被污染。因此，该系统不适合用于粗放型的、对成本敏感的工业用途，尤其是因为该系统丝毫没有诊断功能。
为了确保正确地测量，要检查测量值，从而得知其它的流型变化。对此，可能的原因在于由于污染和腐蚀产生的变化的壁面粗糙度、局部堵塞的流动调节器或流动矫正器()或者未完全打开的阀门或者说滑门。
测量正确性的诊断可行性在于，将测量值与第二个、独立地探明的测量值作比较。为此，可使用另一个超声波测量系统。为了避免在这个比较计数器中对干扰影响作出同样的反应，该比较计数器的路径布局不同于真正的超声波测量设备的路径布局。该原理的一种公知的实现方法是将多路径系统与单路径系统相结合，正如在Michael Brown的工作“Custody Transfer Implementation of Multi-path UltrasonicMeters”，A.G.A.Operating Section Operations Conference in Seattle,Washington,18.–21.Mai1998，中介绍的那样。然而，该比较计数器极大地增加了制造耗费和装配耗费。
DE102007004936A1公开了一种超声波通流测量设备，该超声波通流测量设备具有多个各通过一个反射器实现的呈V形的测量路径，以及一个或者多个附加的超声波转换器，这些超声波转换器在垂直方向上张开另一个呈V形的测量路径，以便识别在测量管底部上的污垢堆积。为此需要附加的超声波转换器连同所属的电子机构。
发明内容
因此，本发明的任务在于，提高超声波测量装置的测量精确度和可靠度。
该任务通过如下所述的超声波测量装置和用于测量在管路内的流体的流动速度的方法来解决。在此，本发明由以下基本想法出发，即，诊断功能实行为将第二个、独立的诊断测量值与真正的主测量值作比较。为此，至少一个现有的测量路径不是用于确定主测量值，而是用于确定诊断测量值。由此，不必为了诊断测量路径本身而安装其它超声波转换器，以如下程度加宽至少一些现有的超声波转换器的声波锥，即，使产生至少一个附加的测量路径。
因此，从几何学的角度来看，存在分别在一对相互对准的超声波转换器之间张开的初级测量路径，这些超声波转换器的反射轴也相互对准。可以直接地或者间接地通过反射器实现对准。此外，由于声波锥加宽，产生了到超声波转换器的次级测量路径，所述超声波转换器与由于对准而配属的超声波转换器相邻地布置。在此，通常使用通往所配属的超声波转换器的下一个相邻超声波转换器的次级测量路径，因为在这里角度是最有利的，但这并非强制性的。因此，这种带有加宽声波锥的超声波转换器参与了多个测量路径。现在从功能的角度看，初级和次级测量路径可以不是以首先任意的方式被分派为用于探明主测量值的主测量路径，就是分派为诊断测量路径。
本发明具有以下优点，即，通过诊断功能可以始终检查主测量值的可靠度。通过不断比较分别基于另一个路径布局的不同测量结果，在对超声波传感机构的耗费保持不变的情况下，提高了测量值的测量质量和可信度。测量精确度的受损被很快地发现，并引起例如维护请求。不需要使用附加的超声波转换器用于该诊断功能，而是使用附加的次级测量路径作为诊断测量路径，或者当应该代替地使用初级测量路径作为诊断测量路径时，就使用初级测量路径来确定主测量值。因此，通过整合到主计数器中的比较测量，附加耗费是最小的。
优选的是，至少一个诊断测量路径是次级测量路径。主测量值的真正的测量没有改变，此外，所有初级测量路径作为主测量路径提供。由此，在整合入诊断功能时所必需的配合工作特别少。
至少一个诊断测量路径优选为沿直径(diametral)布置。由此，使得对可能的流型变化的敏感度最高，从而优化地支持控制功能。
有利的是，主测量路径与初级测量路径一致。则路径布局进而确定主测量值时的评估与无诊断功能的超声波测量装置中的路径布局进而确定主测量值时的评估并无不同。更好是所述至少一个诊断测量路径与至少一个次级测量路径也一致。那么在这种情况下，初级和次级测量路径中的几何划分与主测量路径和诊断测量路径中的功能划分相同。
初级测量路径优选为相互平行地取向。从而使流型没有冗余，并且因此用尽可能少的超声波转换器特别良好地逼近流型。
优选的是，设置有两个或者四个初级测量路径。为此，四个或者八个超声波转换器是足够的。相应地，优选设置一个或者两个次级测量路径，以便避免对次级测量路径而言的不利角度。由功能角度表明的是，优选设置两个或四个主测量路径和/或者一个或两个诊断测量路径，其中，对初级和次级测量路径的分配在原则上是可选择的。在一个特别的实施方式中，两个或者四个初级测量路径正好是主测量路径，且一个或者两个次级测量路径是诊断测量路径。
那些其初级测量路径与管路的轴线具有最小间距的超声波转换器具有加宽的发送波瓣和接收波瓣。由此，这是开启至少一个次级测量路径的超声波转换器。在这种布置方案下，该次级测量路径尽可能地处于接近管轴线处，即，在流动中间，并且由此是流型的良好的、有代表性的取样点。这是特别有效的，如果那些超声波转换器，其张开带有与管路轴线最小间距的初级测量路径，关于轴线对称而置。则次级测量路径是自动沿直径的。
特别优选的是，以对称的布置方案安装所述超声波转换器。这提供了简单的构造，并且在不需要事先知道流动不规则度的情况下提供了对于流动逼近而言的最佳出发位.
优选的是，评估单元为以下而构成，即，在运行期间将主测量路径和至少一个诊断测量路径的分配改为初级测量路径和次级测量路径的分配。这只能以抽样的方式进行，例如一小时一次，或者应需求进行，但同样能以短时间间隔进行直到以每个测量周期的变更。此外，这种改变可以在运行期间或者在配置中实现。通过分配方式的变更，在一定程度上调匀了在流动逼近时的取样点选择，从而杜绝了可能的人为选择哪个路径是主测量路径和哪个路径是诊断路径的情况。此外，例如可以考虑的是，在运行的其它部分中，所有可供使用的测量路径都用来生成主测量值，并且仅偶尔地形成用于诊断测量值可信度测试的诊断测量值。
优选的是，评估单元为以下而构成，即，在参与到次级测量路径的超声波转换器发射信号时，同时拾取在所有通过初级测量路径或次级测量路径配属于该超声波转换器的超声波转换器上的接收信号，并且计算出相应数量的信号传播时间。将有发射信号的超声波转换器参与的全部测量路径都高时效地一起评估。作为选择也可以考虑多路装置，在该多路装置中，依次评估借助初级测量路径或次级测量路径而属于发射信号的超声波转换器的接收信号的超声波转换器。则评估周期延长，对此，较简单的评估电子机构是足够的。
优选的是，评估单元为以下而构成，即，在测量周期中a)由每个超声波转换器依次各发送一个信号，b)在各自超声波转换器的所有测量路径上计算出信号传播时间，c)在测量周期的所有信号传播时间确定以后，这些信号传播时间相互间分别成对地按照测量路径来分配，并且由此d)确定单个测量值。在这个流程中，评估所有无对立干扰的测量路径。
所述流体优选为天然气，且更优选为在管道中流动的天然气。所述超声波测量装置就用在大型设施中，例如用于跨国的天然气运输。
依据本发明的方法能以类似的方式改进，并且在此显示出类似的优点。这些有利的特征是示例性的，但是没有封闭地在接到独立权利要求后面的从属权利要求中加以说明。
附图说明
下面，借助一些实施方式并参照附图示例性地同样在本发明的其它特征和优点方面作详细阐释。附图说明中：
图1示出穿过管路的斜剖图，该管路具有依据本发明的超声波测量装置的第一实施方式的超声波转换器以及其测量路径；
图2示出管路的纵剖图和依据图1的超声波转换器布置方案；
图3示出依据本发明的仅带有一个次级测量路径的超声波测量装置的另一实施方式的类似图1的斜剖图；
图4示出依据本发明的仅带有四个而不是八个超声波转换器的超声波测量装置的另一实施方式的类似图1的斜剖图；
图5示出依据图4的仅带有一个次级测量路径的斜剖图；
图6示出依据本发明的带有附加的次级测量路径的超声波测量装置的另一实施方式的类似图1的斜剖图；
图7示出超声波测量装置的信号处理的和评估单元的方块图；以及
图8示出按照现有技术的超声波测量装置的纵剖示图，用于阐释时差法。
图1以斜剖图示出依据本发明的超声波测量装置10，该超声波测量装置包括数个(在示图例子中是八个)安装在管路12周边的超声波转换器14。所述超声波测量装置10通常具有自己的管路区段12，该管路区段在期望的测量位置上被以法兰固定到现存的管路例如天然气管道中。在图1中，管路12中流体的流动方向是进入到纸平面内。超声波转换器14中的一半，例如所示左边四个超声波转换器14，布置为相对另一半超声波转换器逆流或者顺流地偏移。
图1是为了二维显示性而补偿了该偏移的斜剖图，从而使得超声波转换器14处于示图平面的椭圆上。图2以纵剖图示出同一个超声波测量装置10。在此，缩短该超声波转换器14，以便简示出其倾斜状态。在左边部分中以实线表示的超声波转换器14布置在朝向观察者的管壁中，其它以虚线表示的超声波转换器14布置在远离观察者的管壁中。
各两个超声波转换器14以其声轴线相互对准，并在其之间张开以实线表示的初级测量路径16。中间四个超声波转换器14a具有更宽的声波锥，从而不仅分别直接相对布置的超声波转换器14a接收到超声波，而且该超声波转换器的直接的或者甚至可能更远移开的相邻转换器也接收到超声波。由此，张开以虚线示出的次级测量路径18。与之相反，未参与到次级测量路径18中的超声波转换器14具有尽可能细的声波锥，以便尽可能有效率地使用超声波能量。但同样可以考虑的是，使这些超声波转换器14同样具有更宽的声波锥张角。那么在此产生的次级测量路径在这个实施方式中保持不使用。
在下文联系图7详细阐释的评估单元为每个初级测量路径16或者次级测量路径18确定在顺着流动和逆着流动时测量的传播时间。在此，在开始联系图8说明测量原理。每个超声波转换器14都交替地作为发射器和接收器工作，从而使得在每个测量路径16、18中确定顺着流动和逆着流动的超声波脉冲的传播时间。从这些传播时间或者说传播时间差中，评估单元为每个测量路径各确定一个流动速度的估值。
接着，所述评估单元由这些估值形成两个数据组。将一个组的数据换算成真正的主测量值。对此算出平均值，但其中，可以借助作为基础的测量路径16、18的几何分布和这些测量路径对于整个流型的意义来衡量每个估值的影响。将另一组按照同样的基本原理换算成独立确定的、作为诊断测量值使用的第二测量值。
接着，比较主测量值和诊断测量值。当偏差相比力求达到的测量精确度所允许的偏差更大时，这就标志着管12或者超声波转换器14发生故障或者被污染。则所述评估单元例如发出警报或维修请求。
在原则上，两组估值的分配是自由的。但是通常分派较多的测量路径16、18给主测量值的确定，并且例如仅使用一个或者两个测量路径16、18作为诊断测量路径。在优选的实施方式中，这正好是次级测量路径18。当如在图1中那样，最接近管轴线的超声波转换器14a张开次级测量路径18，那么得出沿直径分布的诊断路径，该诊断路径对于流型的变化反应特别灵敏。
为了这种路径布局提供了数个超声波转换器14的几何布置方案，在图3到图6中示例性地示出了其中一些。依据图3的实施方式与依据图1的实施方式不同之处在于仅设置了一个次级测量路径18。在依据图4和图5的实施方式中，超声波转换器14的总数减少到了四个，其中，在图4中设置了两个次级测量路径18，且图5中只设置了一个次级测量路径18。在依据图6的实施方式中又使用了八个超声波转换器18，其中，在这里实现了在相邻转换器之间的所有可能的次级测量路径18，以便对在空间上覆盖流型加以改善。所有这些都只是用于路径布局的例子，这些例子也可以联系成混合形式，并且本发明不限于此。例如，初级测量路径16不一定非要相互平行地分布。
图7阐释了初级测量路径16和次级测量路径18的评估。一个超声波转换器14a发送出超声波脉冲，该超声波脉冲一方面在初级测量路径16上由直接分配的超声波转换器14接收，并且另一方面由于加宽的声波锥同样在次级测量路径18上由与直接分配的超声波转换器14直接相邻的超声波转换器14a接收。设置有其它超声波转换器14，但是这些超声波转换器没有参与评估周期的所示部分，因为这些超声波转换器没有从当前发射超声波的超声波转换器14a接收到超声波。
每个超声波转换器14、14a通过放大器20和模拟数字转换器22与评估单元24连接，所述评估单元在微处理器中作为DSP(数字信号处理器)、作为FPGA(现场可编程门阵列)，在ASIC(专用集成电路)或者类似的数字逻辑模块中实行。作为多通道的评估电子机构的替代，例如同样可以考虑时分多路复用器。
所述评估单元24拾取所有对发送的超声波脉冲作出反应的超声波转换器14的接收信号。在知道发射时间点的情况下由此计算出信号传播时间。在评估周期中，一个或者多个(只要通过几何分布排除信号重叠)超声波转换器14依次分别平行地发送超声波脉冲。在每个超声波转换器14扮演过一次作为发送器的角色后，在所有测量路径16、18上提供顺着流动和逆着流动的传播时间，从而使得在正确分配后，评估单元24能够确定传播时间差。那么，每个测量路径16、18上的由此获得的单个测量值以上述方法换算成主测量值和诊断测量值，并且再相互比较这些测量值。

Claims (15)

1.用于测量管路(12)中流体的流动速度的超声波测量装置(10)，所述超声波测量装置具有数个超声波转换器(14)，所述超声波转换器分别成对地在彼此间张开多个主测量路径和至少一个诊断测量路径，并且所述超声波测量装置具有评估单元(24)，所述评估单元被构成使得：在每个测量路径(16、18)上为由顺着流动和逆着流动发送和接收的超声波的传播时间中得出的流动速度各确定一个单个测量值，将所述主测量路径的单个测量值换算成用于流动速度的主测量值，从所述诊断测量路径的至少一个单个测量值中确定诊断测量值，并且将所述主测量值和所述诊断测量值相互比较，
其特征在于，
所述超声波转换器中的至少一些超声波转换器(14a)具有加宽的发送波瓣和接收波瓣，从而在所述至少一些超声波转换器的发送波瓣和接收波瓣中布置有多个超声波转换器(14、14a)，由此，附加于在每两个相互对准的超声波转换器之间张开的初级测量路径(16)，还开启了附加的次级测量路径(18)作为主测量路径或者作为诊断测量路径。
2.按照权利要求1所述的超声波测量装置(10)，
其中，至少一个诊断测量路径是次级测量路径(18)，并且/或者其中，所述至少一个诊断测量路径沿直径布置。
3.按照权利要求1或2所述的超声波测量装置(10)，
其中，所述主测量路径与所述初级测量路径(16)一致，并且/或者所述至少一个诊断测量路径与至少一个次级测量路径(18)一致。
4.按照权利要求1或2所述的超声波测量装置(10)，
其中，所述初级测量路径(16)相互平行地取向。
5.按照权利要求1或2所述的超声波测量装置(10)，
其中，设置有两个或者四个初级测量路径(16)，并且/或者设置有一个或两个次级测量路径(18)。
6.按照权利要求1或2所述的超声波测量装置(10)，
其中，那些其所属的初级测量路径(16)与所述管路(12)的轴线具有最小间距的超声波转换器(14a)具有加宽的发送波瓣和接收波瓣。
7.按照权利要求1或2所述的超声波测量装置(10)，
其中，所述超声波转换器(14)以对称布置方案安装。
8.按照权利要求1或2所述的超声波测量装置(10)，
其中，所述评估单元(24)被构成使得：将对所述主测量路径和所述至少一个诊断测量路径的分配改为对初级测量路径(16)和次级测量路径(18)的分配。
9.按照权利要求1或2所述的超声波测量装置(10)，
其中，所述评估单元(24)被构成使得：在参与次级测量路径的超声波转换器(14a)发射信号时，同时拾取在所有通过初级测量路径(16)或次级测量路径(18)分配给该超声波转换器(14a)的超声波转换器(14，14a)上的接收信号，并且计算出相应数量的信号传播时间。
10.按照权利要求1或2所述的超声波测量装置(10)，
其中，所述评估单元(24)被构成使得：在测量周期中a)由每个超声波转换器(14)依次各发送一个信号，b)在各自超声波转换器(14)的所有测量路径上计算出信号传播时间，c)在所述测量周期的所有信号传播时间确定以后，这些信号传播时间相互间分别成对地按照所述测量路径(16、18)来分配，并且由此d)确定所述单个测量值。
11.按照权利要求1或2所述的超声波测量装置(10)，
其中，所述流体是天然气并且/或者所述管路(12)是管道。
12.用于借助超声波测量管路(12)中流体的流动速度的方法，其中，数个超声波转换器(14)张开多个主测量路径和至少一个诊断测量路径，并且其中，在每个测量路径(16、18)上为由顺着流动和逆着流动发送和接收的超声波的传播时间中得出的流动速度各确定一个单个测量值，将所述主测量路径的单个测量值换算成用于流动速度的主测量值，由所述诊断测量路径的至少一个单个测量值中确定诊断测量值，并且将所述主测量值与所述诊断测量值相比较，
其特征在于，
所述超声波转换器中的至少一些超声波转换器(14a)通过加宽的发送波瓣和接收波瓣形成到多个超声波转换器(14、14a)的测量路径(16、18)，从而使得除了在每两个相互对准的超声波转换器(14、14a)之间张开的初级测量路径(16)之外还使用至少一个附加的次级测量路径(18)作为主测量路径或作为诊断测量路径。
13.按照权利要求12所述的方法，
其中，将对所述主测量路径和所述至少一个诊断测量路径的分配改成对初级测量路径(16)和次级测量路径(18)的分配。
14.按照权利要求12或13所述的方法，
其中，在参与次级测量路径(18)的超声波转换器(14a)发射信号时，同时拾取在所有通过初级测量路径(16)或次级测量路径(18)分配给该超声波转换器(14a)的超声波转换器(14，14a)上的接收信号，并且计算出相应数量的信号传播时间。
15.按照权利要求12或13所述的方法，
其中，在测量周期中a)由每个超声波转换器(14、14a)依次各发送一个信号，b)在各自超声波转换器(14、14a)的所有测量路径上计算出信号传播时间，c)在所述测量周期的所有信号传播时间确定以后，将这些信号传播时间相互间分别成对地按照所述测量路径(16、18)来分配，并且由此d)确定所述单个测量值。
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