CN103270395A - 超声波流量测量装置 - Google Patents

Abstract

一种超声波流量测量装置，所述超声波流量测量装置包括测量管（2）的孔洞（4）中的超声波换能器（5），所述超声波换能器（5）具有超声窗口（6），其中，引导叶片（7）在所述超声窗口（6）的前面插入在所述测量管的孔洞（4）中并垂直于所述超声波换能器（5）的超声窗口（6）。

Description

超声波流量测量装置

技术领域

本发明涉及一种超声波流量测量装置，其包括测量管的孔洞中的超声波换能器，其中该超声波换能器具有超声辐射表面，本文称为超声窗口。

背景技术

通常在过程和自动化技术中应用超声波流量测量装置。它们允许简单地确定管道中的体积流量和/或质量流量。

已知的超声波流量测量装置通常根据多普勒原理或根据行进时间差原理工作。在行进时间差原理中，根据液体的流动方向评估超声波脉冲的不同行进时间。出于该原因，沿流动方向以及流动方向的相反方向，以相对于管轴的特定角度发送超声波脉冲。通过行进时间差，能够确定流速，并且由此在已知管道横截面的直径的情况下，确定体积流量。

通过超声波换能器的帮助，分别产生和接收超声波。在US-A5,052,230中，通过短超声波脉冲确定行进时间。

在管内的情况下，流量测量装置、超声波换能器接触介质或流体。以此方式，与夹紧式系统相比，能够将明显较大量的声能耦合到流体中，以及超声波换能器能够与测量管声学地脱耦，因此提高了所需信号（传播到流体中的声音）和干扰信号（传播到周围测量管中的声音）的比率。此外，以此方式，尽管声音测量路径关于主流动倾斜地延伸，但是能够实现垂直于介质接触壁延伸的入耦合的声音，这使得实际测量效果独立于声速的变化。

对于超声波换能器的流体接触安装，需要测量管中的横向开口。超声波换能器被这样固定，使得在所有操作条件下都能确保测量管的密封。为了最大化所需信号与干扰信号的比率，通常使用下列超声波换能器布置，在该情况下，超声波换能器在直视线中彼此相对布置。作为其替换方式，已知下列布置，在该情况下，声音通过在测量管内壁上的多次反射从发射器前行至接收器。

对于通常在管内应用的超声波测量方法、基于行进时间差或相位差或频率差的超声波流量测量装置，必须不将超声波换能器在其上彼此相对的轴布置成垂直于测量管轴，以便实现期望的测量效果。此外，如果期望流动尽可能少受干扰地流经超声波流量测量装置，同样排除的是平行于测量管轴的超声波换能器布置，因为在该情况下，被引入测量管内的超声波换能器或反射器将位于流动中。

由于这些限制，对超声波流量测量装置导致下列超声波换能器布置，其通常相对于测量管轴倾斜，其结合期望的介质接触导致通过测量管横向延伸的孔洞，然后从外部将超声波换能器插入该孔洞。如果超声波换能器不凸出到流量中，例如，为了流量损失最小化和保护单元不受磨蚀或损伤，就在超声波换能器和流经的测量管的圆柱形表面（本文随后称为测量管边界表面）之间产生充满流体的中空空间。

尤其根据雷诺（Re）数，能够在这些中空空间中存在不同流动状态。这些流动状态受测量管边界表面和超声波换能器孔洞中空空间中的流量体积之间的相互作用决定性地影响。在中空空间中出现沿声音测量路径方向的速度分量的情况下，这些分量叠加在实际测量变量上，即在声音测量路径方向的主流动的速度分量上。以此方式，分别取决于超声波换能器孔洞直径和测量管内径的比率、超声波换能器中空空间长度和测量路径总长度的比率，能够产生若干百分点数量级的相当大的测量误差。

一种修正该测量误差的方法在于，确定正确的Re数，并且于是在信号处理过程中执行目标测量误差修正。在US5987997中描述了一种方法，其关注测量值偏移的这样的随后修正。在此，其基于速度比，或速度差而提供以确定沿至少两条互相不同的测量路径的流动流体的Re数。然而，该解决方案仅能有限地应用，这是因为，至少对于Re<1000（=层流流动剖面），速度比不再变化，并且于是不再可能唯一地确定Re数。同样地，对于Re>3000，该确定不是始终明确的。此外，在该形式的测量误差修正情况下，能够涉及相当多的另外测量值偏移：在扰流，例如在管道弯头或阀门后的情况下，出现具有在管内的不同测量路径之间的速度比的流态，将信号处理解释成特定Re数的超声波流量测量装置中使得相应的修正系数得以应用。然而，通过在测量横截面中的平均流速形成的“实”Re数能够明显不同。因而，应用的修正系数不再适合当前流态，所以出现另外的测量误差。

为了防止测量管边界表面和上述中空空间中的流体之间相互作用，US3906791的图11示出一种测量管齐平接头网格状插入体，其应在适当尺寸基础上为声学透明的。该解决方案的缺点在于，声音的预期声衰减或散射，以及在具有固体部分的流体的情况下，沉积在网格网中的危险。该文献的图12示出一种用于中空空间的合成材料盖板/膜。然而，与该盖板相关联的不仅是所需信号变弱，而且也有强烈依赖温度的声音折射。同样地，在用于不同静压力的情况下，超声波换能器单元和必需的板之间中空空间的无泡沫填充相当困难。

JP2003202254提出了一种解决方案，其涉及一种穿孔分隔物，以封闭所述中空空间。超声波换能器单元和穿孔分隔物之间的中空空间应被具体实施为使得横向声波快速消失。然而，由于在具有固体部分的流体情况下能够堵塞的减小的声音开口，该设备导致所需信号的弱化，并且在液体中使用的情况下，导致可能的空气滞留，这同样不利地影响所需信号的强度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波流量测量装置，其在从层流延伸至高度湍流的Re数范围都具有测量的高精度。

通过独立权利要求1和12的特征实现该目的。本发明的进一步发展和实施例在各个从属权利要求的特征中出现。

本发明的解决方案的优点包括：为了确保高度鲁棒性，不必对测量值修正，例如通过信号处理中的修正算法来修正；不发生所需信号弱化，和不出现值得一提的另外压力损失；关于测量装置的应用，该解决方案不受限制；和本发明的特征在于小的制造成本。

本发明的解决方案，即在超声窗口和测量管边界表面之间的所述中空空间中使用一个或更多引导叶片的效果在于，阻碍在这些中空空间中形成所述二次流。另一方面，这通过由引导叶片的中空空间的几何细分而发生，这使得该流动的体积明显较小，和在中空空间中提供移动流动部分的早期转向。另一方面，另外的表面产生另外的流体剪切应力，该应力由引导叶片和边界流体体积（关键词“壁无滑移条件”）之间的相互作用产生。由此产生移动流体部分的加强局部制动。

本发明的这些超声波流量测量装置尤其应用于测量作为介质的油，或者用于测量运动或动态（kinematic）粘度ν大于5mm²/s，部分是ν>100mm²/s的高粘度液体情况下的介质。

本发明的引导叶片是本质上平面的薄板，其具有近似平行板表面。该叶片能够为一块片材料，例如片金属，但是不限于此。因而，第一或其他引导叶片能够由金属制成，尤其是不锈钢，例如1.4404或1.4571的不锈钢，以便满足卫生（hygiene）规范。然而，本发明不限于这些示例。同样地，制造引导叶片的方法也不限于将金属轧制成片。引导叶片能够由合成材料（例如，塑料）、玻璃或陶瓷或复合材料制成，并且如何生产这些引导叶片无关紧要。引导叶片的概念仅关注叶片的形状。

在本发明的实施例中，引导叶片延伸至测量管边界表面，这是因为由于主流动和孔洞中空空间中的流体体积之间的相互作用，二次流分量源于该测量管边界表面。

其他实施例由下列因素产生：每个孔洞中空空间的安装引导叶片数目；引导叶片相对于测量管中的主要流动方向的定向，其尤其对应于测量管的纵向轴；孔洞中空空间中的引导叶片的固定类型，例如在孔洞壁、超声窗口上或者绕超声换能器的环状间隙处的固定类型；或者超声窗口附近的引导叶片的结构实施例，例如，具有用于防止沉积的切除部。

附图说明

能够以许多实施例形式提供本发明。现在将基于附图中的图更详细地解释一些实施例。在附图中，相同元件具有相同标识符。附图中的图如下：

图1示出了具有在孔洞中布置成十字形状的本发明的引导叶片的超声波换能器，

图2示出了具有在孔洞中布置成十字形状和关于孔洞旋转45°的本发明的引导叶片的图1的超声波换能器，

图3示出了具有本发明的引导叶片的超声波换能器，示出了引导叶片中的切除部。

具体实施方式

图1示出了本发明的超声波流量测量装置，其包括测量管2的孔洞4中的超声波换能器5。超声波换能器5具有超声窗口6。在该情况下，第一引导叶片7在超声窗口6的前面被插入测量管2的孔洞4中、并垂直于超声波换能器5的超声窗口6。该超声波流量测量装置是管内超声波流量测量装置，其包括测量管2。超声窗口6也被称为活动区域。通过该超声窗口6，超声信号与超声波换能器5脱耦合，或者入耦合到超声波换能器5中。

测量管2的孔洞4，或者更确切地说是插入了超声波换能器5和第一引导叶片7的测量管2的壁3中的孔洞4具有纵向轴线（未示出）。为了通过超声波流量测量装置进行行进时间差测量，孔洞4相对于测量管2中的介质主要流动方向倾斜。在多束测量装置的情况下，孔洞纵向轴在第一平面中彼此平行和补充地平行于测量管纵向轴所位于的第二平面。现在，如果孔洞纵向轴被位移平行于第二平面，它们就将以不等于90°的角与测量管纵向轴交叉。传统管内超声波流量测量装置的两个超声波换能器之间的超声波信号路径的角度关于测量管纵向轴，以及关于测量管中的介质的主要流动方向通常在30和60°之间，在传统管内超声波流量测量装置中，超声波换能器彼此相对布置，尤其是它们的超声窗口位于平行平面中，和其中超声波信号路径形成直线，两个孔洞纵向轴也与该直线一致，在该孔洞中插入两个超声波换能器。

如果超声波流量测量装置是单束测量装置，就仅提供两个相对地设置的超声波换能器5，在这两个超声波换能器5之间仅有一个信号路径延伸，和该路径通常与测量管纵向轴相交。当然，不必要有上述平行位移或移位。相反，如果存在具有多个信号路径的多束装置，这些路径最通常从中心偏置，并且因而从测量管纵向轴的第二平面偏置。

本发明实施例的该形式的孔洞4在平行于测量管纵向轴的第二平面的第一平面中具有纵向轴，其中两个平面分开大于测量管2的直径的10%，尤其大于25%。因而，本文涉及的是一种多束超声波流量测量装置，例如四束超声波流量测量装置，其所示截面具有布置在测量管2的中心外的超声波换能器5。本发明也可应用于单束、两束或多束超声波流量测量装置，在该装置通过行进时间差原理确定流量的情况下尤其如此。

在本发明的构造的情况下，测量管壁3中的孔洞4在测量管壁3中形成中空空间。该中空空间被其中安装的超声波换能器5部分填充。因而，该中空空间单方面地至少部分被超声波换能器5的超声窗口6划界。如果孔洞4不完全穿透测量管壁3，则测量管壁3的内部表面就作为测量管2的体积以及位于其中的介质的边界。当孔洞4达到测量管壁3的内部表面时，这改变了测量管壁3。随后，在本文中将尤其是孔洞4区域中的测量管2的、刚刚描述的原始内部表面称为测量管边界表面。孔洞4以及通过其形成的测量管壁3中的中空空间被测量管边界表面划界。第一引导叶片7被插入在未被超声波换能器5填充的孔洞4的中空空间中，处于超声波换能器5的超声窗口6和测量管2的垂直于超声波换能器5的超声窗口6的测量管壁3中的孔洞4中的测量管边界表面之间。在该情况下，与其纵向和/或在本文中垂直于超声波换能器5的超声窗口6的横向尺寸相比，引导叶片7是薄的。因而，引导叶片7包括平行于孔洞的纵向轴的值得一提的扩展。因而，本文未涉及的是例如栅格的板条，其无垂直于它们纵向轴的值得一提的扩展。

因而，与孔洞4的直径相比，第一引导叶片7是薄的。与超声窗口6的直径相比，第一叶片7也是薄的。例如，其厚度仅等于孔洞4直径的1%-3%。

根据实施例，第一引导叶片7不明显地凸出到测量管2的内部。第一引导叶片7接触虚拟测量管边界表面，但是不穿过该表面。其面向测量管2的内部的，因而背向超声波换能器5的超声窗口5的边缘形成测量管边界表面的轮廓。然而，为了简化，该边缘也能够由一条、两条或更多直线段或一些其他形状形成，其近似于测量管边界表面的轮廓。

本文中的超声波换能器5具有圆形超声窗口6，使得超声窗口6具有直径。例如，第一引导叶片7垂直于孔洞的纵向轴的宽度至少对应于超声窗口6的直径。本文中，该直径等于孔洞4的直径，这是因为本文中的孔洞4是圆形的。否则，要考虑该直径的对应的等价物。因为，如上所述，第一引导叶片7在其面向测量管2内部的边缘上模拟测量管边界表面的轮廓，本文中，该轮廓近似为三角形形状，这是因为超声窗口6同样近似地接触测量管边界表面。否则，第一引导叶片的其他结构，例如梯形形状的结构提供作为简化的选项。因此，第一引导叶片7在至少一侧上，本文中为在其面向超声窗口6的边缘上具有该宽度。然而，也存在下列实施例，诸如下文关于图3更详细解释的实施例，其中第一引导叶片面向超声窗口的边缘能够具有切除部，因此不是第一引导叶片的全部宽度都被叶片材料填充。

取决于应用，一个引导叶片的存在能够足以满足本发明的目的。然而，在所示实施例中，提供两个引导叶片。因而，本发明的超声波流量测量装置包括孔洞4中的第二引导叶片8，其处于超声窗口6的前面，并垂直于超声波换能器5的超声窗口6。本文中的第二引导叶片8是梯形形状。关于第一引导叶片7的所有上述解释也都适用于第二引导叶片8，和相应地也对第二引导叶片和/或如果存在的第三引导叶片或其他引导叶片有效。即，本文的第二引导叶片8自然同样也是薄的，和不明显地凸出到测量管2中。

在所示实施例中，第二引导叶片8被垂直于第一引导叶片7地插入孔洞4中。本文中，第二引导叶片8位于孔洞纵向轴的第一平面中。因而，第一引导叶片7垂直于该第一平面。引导叶片7和8相对于平行于测量管纵向轴的平面的孔洞纵向轴的第一平面的所述位置取决于相关条件，诸如测量管内介质的流速、粘度和Re数、和/或孔洞直径和孔洞4相对于测量管2的中心的位置。第二引导叶片相对于第一平面的0和45°之间的角度（因而包括5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°或45°）提供下列选项，其分别是第一引导叶片7相对于第一平面的0和90°之间的角度。同样地，两个引导叶片不需要彼此垂直。因而，在该情况下，0和90°之间的角度提供选项，因而，5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°、85°和90°都是引导叶片相对彼此的可能的角度。例如，这种情况是：当进一步的第三引导叶片在超声窗口的前面插入到测量管的孔洞中、并垂直于超声波换能器的超声窗口的测量管时。然后，引导叶片之间的角度能够为相同尺寸，因而在该情况下为60°。

图2示出了本发明的超声波流量测量装置，其中孔洞的纵向轴线位于平行于测量管纵向轴线的第二平面的第一平面中，其中第一引导叶片7位于关于孔洞的纵向轴线的第一平面45°角的第三平面中。同样地，本文中，第二引导叶片8在超声窗口6的前面被插入测量管2的孔洞4中、垂直于超声波换能器5的超声窗口6、并且垂直于第一引导叶片7。

本发明的管内超声波流量测量装置最小化了超声波换能器5和测量管边界之间的中空空间导致的流量相关测量值偏差。

如上所述，引导叶片相对于平行于测量管纵向轴的平面的孔洞的纵向轴的第一平面的位置取决于各种参数。

图3示出了，第一引导叶片7具有切除部9，其面向超声窗口6和用于防止沉积。直接处于超声窗口6前面的切除部9能够允许对流经测量管2的介质流动的测量具有相当小的或者无影响的介质的流动，但是，其有助于防止沉积。在前两幅图中也能够看出，在超声波换能器5和测量管壁3之间存在环状间隙10，这是因为超声波换能器5不完全与孔洞的纵向轴线成径向地填充孔洞4。引导叶片也能够具体实施为使得它们至少部分进入该环状间隙10。

标识符列表

1    超声波流量测量装置

2    测量管

3    测量管壁

4    测量管壁中的孔洞

5    超声波换能器

6    超声窗口

7    第一引导叶片

8    第二引导叶片

9    切除部

10   超声波换能器和测量管壁之间的环状间隙

Claims (12)

1.一种超声波流量测量装置，所述超声波流量测量装置包括测量管（2）的壁（3）的孔洞（4）中的超声波换能器（5），所述超声波换能器（5）具有超声窗口（6），

其特征在于，

第一引导叶片（7）在所述超声窗口（6）的前面插入在所述孔洞（4）中并垂直于所述超声波换能器（5）的超声窗口（6）。

2.根据权利要求1所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

与所述孔洞（4）的直径相比，所述第一引导叶片（7）是薄的。

3.根据权利要求1和2之一所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

所述第一引导叶片（7）具有垂直于所述孔洞的纵向轴的宽度，所述宽度至少等于所述超声窗口（6）的直径。

4.根据权利要求1-3之一所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

所述第一引导叶片（7）具有垂直于所述孔洞的纵向轴的宽度，所述宽度等于所述孔洞（4）的直径。

5.根据权利要求1-4之一所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

所述第一引导叶片（7）不凸出、或仅不明显地向内凸出到所述测量管（2）中。

6.根据权利要求1-5之一所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

所述第一引导叶片（7）是面向所述超声窗口（6）的切除部。

7.根据权利要求1-6之一所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

所述孔洞的纵向轴位于平行于所述测量管纵向轴的第二平面的第一平面中，以及所述第一引导叶片（7）位于关于所述孔洞的纵向轴的第一平面成45°角的第三平面中。

8.根据权利要求1-7之一所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

第二引导叶片（8）在所述超声窗口（6）的前面插入在所述孔洞（4）中并垂直于所述超声波换能器（5）的超声窗口（6）。

9.根据权利要求8所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

所述第二引导叶片（8）垂直于所述第一引导叶片（7）地插入在所述孔洞（4）中。

10.根据权利要求8所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

至少一个另外的第三引导叶片在所述超声窗口（6）的前面插入在所述孔洞（4）中并垂直于所述超声波换能器（5）的超声窗口（6）。

11.根据权利要求1-10之一所述的超声波流量测量装置，

其特征在于，

所述孔洞的纵向轴位于平行于所述测量管纵向轴的第二平面的第一平面中，其中两个平面互相分开所述测量管（2）直径的至少10%。

12.一种根据权利要求1-11之一所述的超声波流量测量装置的使用，

其特征在于，

具有大于5kg/(m*s)的动态粘度的油或者介质流经所述测量管（2）。

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