CN103328935A - 具有安装在压力边界外的换能器的弦气体流量计，其外壳以及实施方法 - Google Patents

Abstract

一种流量计包括：容器，所述容器用于附接到管道，所述管道中具有气体流动通道；多个凹槽，所述多个凹槽延伸通过所述容器；以及多个外壳。每一凹槽具有容纳所述通道中的压力的一个外壳。每一外壳具有与所述通道声连通的一个窗。所述流量计包括多个换能器，在每一凹槽中安置有一个换能器。所述换能器通过在其中安置有换能器的所述外壳中的所述窗，将超声信号发射到所述通道中，并从所述通道接收超声信号。所述流量计包括控制器，所述控制器与所述换能器进行电通信，所述控制器通过测量由所述换能器发射和接收的信号的传送时间来确定所述通道中的气体流速。

Description

具有安装在压力边界外的换能器的弦气体流量计,其外壳以及实施方法

相关申请案的交叉参考

本申请案为2010年11月19日申请的美国专利申请案第12/927,616号的部分继续申请案。

技术领域

本发明涉及一种流量计，该流量计借助于超声换能器来确定管道中的气体流速，该等超声换能器通过一个窗来向气流发送信号以及从气流接收信号，该窗由耐压材料制成并与气体的流动通道声连通。（如本文中所使用，对“本发明”的引用涉及的是示例性实施例，而不一定会涉及所附权利要求书所涵盖的每个实施例。）更具体来说，本发明涉及一种流量计，该流量计通过超声换能器来确定管道中的气体流速，该等超声换能器通过一个窗来向气流发送信号以及从气流接收信号，该窗由耐压材料制成并与气流的流动通道声连通，其中该等换能器安置在多个外壳中，这些外壳对该等换能器进行声学隔离来改善所接收的声信号的信噪比。

背景技术

本部分意在为读者介绍可能涉及本发明各方面的相关技术的各个方面。以下论述意在提供信息以便于更好地理解本发明。相应地，应了解，以下论述中的声明应据此来解读，而并非是对现有技术的承认。

在流量计系统中，超声换能器是用于来发射和接收超声信号。通过使用本发明，解决了若干问题，它们是：如果要对现有的超声流量计中的换能器进行拆除或修理的话，需要解除气体管线中的压力或者是需要使用专门的工具来实施换能器更换；如果换能器不与管道中所含的气体直接接触的话，通常换能器的性能会不佳，导致气体流量计的信号检测不佳。现有的超声气体流量计使用的是被气体“浸湿”的换能器，也就是说，换能器本身与气体直接接触，并且需要专门的工具或者是解除管道中的压力，才能将换能器拆除。传统的换能器外壳将换能器置于管道压力之外，诸如在液体流量计中所使用的换能器就是这样，但是这种换能器外壳未被使用，因为通过外壳的声损失，再加上由换能器外壳的安装所产生的噪声，使得声信号无法使用。传统换能器外壳不能在气体环境中运作，原因有以下两点。首先，常规换能器外壳具有厚的金属窗，这些金属窗与气体的声阻抗匹配不佳，因此不能将声音传输到气体中。第二，传统换能器外壳以刚性方式附接到流量计主体。这些刚性附接为声音提供了通过流量计主体而不是通过气体来传输的路径，造成信噪比不佳。

现有超声气体流量计使其被浸湿的换能器暴露在气体之中，而气体中可能含有硫化氢或其他污染物。随着日积月累，硫化氢会使用于在换能器内电和机械连接的由常规焊点和环氧树脂制成的换能器恶化。在现有超声气体流量计中，将金属密封件置于换能器之后，来维持管道压力并防止气体泄漏。因此，如果换能器发生故障，则必须使用专门的工具来对换能器进行更换，这些专门的工具能够防止换能器在管道气体压力之下从流量计中高速喷出。如果不能恰当地操作这些工具，那么这对于更换人员来说则可能是致命的，因为在管道气体压力之下，换能器会变成发射物。此外，逸出的气体通常是高度易燃的，会对更换人员以及附近其他人造成严重危害。如果出于安全考虑而将气体管线/流程解除压力来更换换能器，那么管线气流会中止，从而导致经济损失。

当前气体流量计换能器使用的要么是单片式PZT陶瓷换能器，要么是Tonpilz换能器。这些换能器存在不佳的带宽、不佳的信噪比，以及处于100kHz至300kHz频率范围中的径向模式（radial mode），而这一频率范围恰是气体流量计的优选超声操作频率范围。结果，接收到的信号会大大失真。这会造成不佳的传送时间测量值以及不佳的气体流量计准确性。当前的气体流量计还具有在零件之间的金属与金属接触，甚至在被浸湿的换能器中，当包围换能器的壳体由金属制成时，这样由于系统的声噪声，流量计会存在不佳的信噪比。

发明内容

本发明涉及一种用于测量气体的流量计，其中准确性和可靠性是关键。该流量计测量管道中的气体流速，该管道中有通道，管道中的气体在该通道中流动，并且有平面波在该通道中传播，该等平面波是由多个上游超声换能器和多个下游超声换能器产生的。该等换能器的布置界定出两个相交平面，但是也可以有多于两个或少于两个的平面。该流量计的重要特征是可以无需专门的工具，也无需解除管线压力，就能安全地检查或更换换能器元件，这是因为存在着固持换能器并容纳管道压力的外壳。

附图说明

在附图中，示出了本发明的优选实施例和实践本发明的优选方法，其中：

图1所示为本发明的流量计。

图2所示为两个相交平面（A和B）的流量计顶截面。

图3所示为沿平面A或平面B的流量计截面。

图4所示为气体流量计布置。

图5a所示为气体换能器。

图5b所示为气体换能器的分解图。

图6所示为变压器应用。

图7所示为传送时间流量计性能的展示。

具体实施方式

现在参考附图，其中在若干附图中类似参考数字指代相似或相同的部分，具体来说参考图1至图3，图中所示为用于检测管道12中的气体流速的流量计10。流量计10包括：容器11，容器11经配置以附接到管道12，管道12中具有气体流动通道17；多个凹槽15，该多个凹槽15延伸通过容器11；以及多个外壳14。每一凹槽15具有外壳14，外壳14容纳通道17中的压力。每一外壳14具有窗24，窗24与通道17声连通。流量计10包括多个换能器32，在每一凹槽15中安置该多个换能器32中的一个换能器32。通过安置有换能器32的外壳14中的窗24，该等换能器32将超声信号发射到通道17中，并从通道17接收超声信号。流量计10包括控制器20，控制器20与该多个换能器32进行电通信，该多个换能器32通过测量由换能器32发射和接收的信号的传送时间来确定通道17中的气体流速。

窗24可以具有小于窗材料中的超声的1/4波长的厚度。窗24厚度可以为窗材料中的超声的约1/10波长。在每一凹槽15中所安置的每一外壳14中，可以安置该多个换能器32中的一个换能器32。外壳14可以是压力边界，该压力边界容纳通道17中的压力并且基本上能防止通道17中的气体逸出到外壳14中。外壳14与通道17形成气密密封。

可以将换能器32从凹槽15中拆除，而不需要对管道12减压，也不需要使用取出工具，其中所述取出工具是通过可承受所述通道中压力的压力容纳组件而将所述换能器移除的取出工具。由换能器32发射和接收的超声信号可以界定出第一平面中的第一路径以及第二平面中的第二路径，这两个路径在通道17中相交。

流量计10可以包括多个声隔离器22，这些声隔离器会对换能器外壳14与容器11进行声隔离。换能器32可以耦合至窗24。窗24由金属或塑料制成。窗24可以由钛、聚醚醚酮(PEEK)或聚苯硫醚(PPS)制成。

每一换能器32可以是宽带压电复合换能器32，如果完全耦合的耦合系数是1的话，宽带压电复合换能器32的耦合系数大于0.7，以及声阻抗小于34兆瑞利（Mrayl）。

本发明涉及用于流量计10的超声换能器32的外壳14（如图4所示），该外壳14插入到气体所流过的容器11的凹槽15中。外壳14包括罩壳25，换能器32安置于罩壳25中。罩壳25具有外表面以及从罩壳25的外表面延伸出的凸缘34，并且多个声肋（acoustic rib）26安置在罩壳25末端附近处，在该末端处换能器32发射出信号。该罩壳将信噪比改善到大于100:1，该等肋使所有非气体路径中的声音衰减了至少25%。

外壳14可以包括围绕外壳14安置的声隔离器22，当换能器32安置在容器11的凹槽15中时，该隔离器能够接触容器11和外壳14，其中声隔离器22安置在容器11与外壳14之间，因此外壳14不会接触容器11。声隔离器22可以包括围绕外壳14的凸缘34安置的圆盘（disc）。这些圆盘可以由塑料、复合泡沫塑料或橡胶制成。在外表面上不可以使用阻抗匹配材料来改善信号从换能器32到气体中的传输，而是使用小于1/4波长的窗24厚度，这样使得窗24能声学上透声。在罩壳14与容器11之间可能不会存在任何的金属与金属接触。

本发明涉及一种用于检测管道12中的气体流速的方法。该方法包括以下步骤：从安置在凹槽15中的多个换能器32，通过每一凹槽15中由金属制成的窗24，将超声信号发射到容器11中的气体流动通道17中，其中凹槽15处在附接到管道12的容器11中，在每一凹槽15中安置该多个换能器32中的一个换能器32，并且窗24与通道17声连通。还有以下步骤：由凹槽15中的换能器32通过窗24从通道17接收超声信号。还有以下步骤：使用控制器20通过测量由多个传感器32发射和接收的信号的传送时间来确定通道17中的气体流速，该控制器20与该多个传感器32进行电通信。

窗24可以是压力边界，该压力边界容纳通道17中的压力并且防止通道17中的气体逸出到外壳14中，窗24与外壳14形成气密密封，并且还可以有在不对通道17减压或不使用取出工具而更换换能器32的步骤，其中所述取出工具是能够过通过可容纳通道17中的压力的压力容纳组件来拆除换能器32的取出工具。

发射步骤可以包括由该多个换能器32沿第一平面中的第一路径和第二平面中的第二路径发射超声信号的步骤，该第一路径与该第二路径在通道17中相交，而接收步骤则可以包括由该多个换能器32从该第一路径和从该第二路径接收超声信号的步骤。还可以有以下步骤：通过声隔离器22对凹槽15中的安置有换能器32的外壳14与该容器11进行声隔离。还可以有以下步骤：对换能器32施加一个力，使换能器32保持与窗24接触。

发射步骤可以包括以下步骤：通过第一路径中的上游超声换能器32产生平面波，该等平面波传播通过通道17,并且由第一路径中的下游超声换能器32接收；通过下游换能器18从下游换能器18所接收的平面波中产生下游换能器18信号；通过第一路径中的下游超声换能器产生平面波，该等平面波传播通过通道17并且由第一路径中的上游超声换能器接收；通过上游换能器16从上游换能器16所接收的平面波中产生上游换能器16信号；以及通过控制器20根据上游换能器16和下游换能器18所产生和接收的信号的传送时间来确定气体流速。

更换步骤可以包括以下步骤：在不使用穿过压力容纳组件来拆除换能器32的取出工具从而更换换能器32的步骤中，而其中该取出工具是能通过压力容纳组件来拆除换能器32的工具，该压力容纳组件提供了气密的、承压的封闭空间，在该封闭空间内换能器32可以从容器11上卸下并且允许通道17中的气体填充该封闭空间而不会泄露到容器11周围的外部环境中。更换步骤可以包括以下更换换能器32的步骤：在不使用阀门来密封卸下所述换能器的凹槽15而更换换能器32，从而允许取出工具内的封闭空间被放气的步骤。

与本发明不同，在换能器自身浸没在气体中的设计中，取出工具执行以下功能：

1.该取出工具提供了气密的、承压的封闭空间，在该封闭空间内可以从容器上卸下该换能器组装件的外部（从而破坏了正常的压力屏障），并允许被封闭的气体填充该取出工具封闭空间而不会泄露到外部环境中。

2.该取出工具提供了从该取出工具内撤走该换能器组装件的构件。

3.该取出工具提供了将由于换能器组装件的拆除而留空的开口加以关闭的构件（通常为阀门），从而允许该取出工具内的被封闭的空间能够被放气，并且被封闭的换能器组装件（假定为有缺陷的）能够被拆除。

4.该取出工具提供了将功能齐全的换能器组装件安置在该取出工具的被封闭的空间内的适当位置中的构件。

5.该取出工具提供了将新的换能器插入到容器中，将该换能器紧固在适当位置，并对换能器组装件/容器连接处测试其气密性的构件，之后可以拆除该取出工具。

本发明涉及用于超声流量计10的换能器32，如图5所示。换能器32包括壳体58。该换能器32包括安置在壳体58中的宽带压电复合材料50，如果完全耦合的耦合系数是1的话，宽带压电复合材料50的耦合系数大于0.7，以及声阻抗小于34兆瑞利。

换能器32可以包括变压器30，该变压器30与换能器的电阻抗相匹配。

在另一实施例中，本文中所描述的外壳14和换能器32，以及本文中所描述的总体技术，可以直接应用到管道12，其中凹槽15形成于管道12中，并且具有换能器32的外壳14插入到管道12自身的凹槽15中。

在本发明的操作中，流量计10能够通过超声传送时间技术来测量气体流速。本申请案具体来说适用于天然气计量。该流量计10的新颖方面是换能器外壳14，换能器外壳14具有容压窗24，该容压窗的厚度小于窗24材料的超声波长的1/10，但是仍然符合气体对其外部施加的全部压力所提出的强度和气密性要求。优选窗24为钛窗24。钛窗24足够薄，使得其差不多是声学上透声的，它还充当对可能含有硫化氢或其他污染物的天然气的密闭密封件，并充当对管道12中的气体的压力屏障。在200kHz下钛的波长（λ）为30.35mm，此时在该材料中的声速为6070m/s。钛窗24被激光焊接到钛换能器外壳14。与吹管焊接相比，激光焊接为低热工艺，因此，不会损害到λ/10厚（3mm）的钛窗24到外壳14的机械完整性。窗24通过成为针对压缩气体的压力屏障来维持换能器外壳14的机械完整性。通常的操作压力额定值范围为475psi(ANSI150)以下到3,705psi(ANSI1500)。操作温度范围为-40℃到100℃。该气体流量计具有不必对管线解除压力就可以替换的换能器32。所有的换能器外壳14都具有声肋26，该等声肋26以λ/8至λ/4间隔开，以将换能器外壳14的声噪声隔离并消除，并打破换能器外壳14的谐振。此外，所有换能器外壳14都通过声隔离器22与流量计主体进行声隔离。

使用复合压电技术制造出了专用的换能器32。复合压电材料具有0.75的k_t值以及17兆瑞利的低Z值。这为了易于可检测的前缘来进行精确的时间测量实现了宽带性能。每一换能器32使用了7:1阻抗匹配变压器30，阻抗匹配变压器30将信号强度改善了17dB。此耦合至钛窗24的换能器布置为了使用窗24作为大于3,705psi的压力屏障的超声气体流量计的性能而言，λ/10是需要的。

用于检测管道12中的气体流速的流量计10优选地包括多条路径，该多条路径安置在管道12中，管道12中的气体流动通过这些路径。上游换能器16与换能器外壳14内的钛窗24相接触，并且经定位而使得由上游换能器16所产生的平面波传播通过通道17。下游换能器18与管道12声隔离，并且经定位而使得由下游换能器18所产生的平面波传播通过通道17并由上游换能器16接收，上游换能器16会产生上游换能器16信号，上游换能器16信号被提供给控制器20。下游换能器18从上游换能器16接收平面波，并且提供下游换能器18信号，下游换能器18信号被提供给控制器20。流量计10包括信号处理器，也被称作控制器20，控制器20与上游换能器16和下游换能器18进行通信，控制器20通过测量由该等换能器发射和接收的信号的传送时间来确定通道17中的气体流速。

参考图1至图3，流量计10包括安置在管道12中的通道17，管道12中的气体流动通过通道17。流量计10包括多条路径。位于多个换能器外壳14内的多个上游超声换能器16与管道12声隔离，并且经定位以使得由上游换能器16所产生的平面波通过通道17传播。每一路径包括位于一个换能器外壳14内的一个下游超声换能器18，该下游超声换能器18与管道12声隔离，并且经定位而使得由下游换能器18所产生的平面波通过通道17传播，并由上游换能器16接收，上游换能器16会产生上游换能器16信号。下游换能器18从上游换能器16接收平面波，并提供下游换能器18信号。流量计10包括控制器20，该控制器20与上游换能器16和下游换能器18通信，控制器20通过测量由该等换能器发射和接收的信号的传送时间来确定通道17中的气体流速。

换能器外壳14优选地由钛制成，钛能够抵抗诸如硫化氢等天然气污染物的腐蚀。上游换能器16和下游换能器18耦合至换能器外壳14内的窗24。换能器外壳14通过与管道12相接触的声隔离器22进行声隔离。窗24与换能器外壳14形成密封，从而防止管道12中的气体泄露到换能器外壳14中。窗24（被包含在换能器外壳14内）经由激光焊接而密封，使得硫化氢不会向内部泄露。换能器32使用耦合剂，优选为硅脂来耦合到声窗24。弹簧组装件28将压力施加给换能器32，以使超声信号更有效地耦合到窗24。间隔物38和压紧螺母40将弹簧组装件28压缩，使得有至少100psi施加到换能器32。O形环42被放置成围绕换能器外壳14和衬套44，以在换能器外壳14与管道12之间建立另一气密密封。衬套44为换能器外壳14提供机械支撑，并且将换能器外壳14定位在容器11内。负载螺母46和锁紧螺母48通过对声隔离器22施加压力来将换能器外壳14紧固到容器11，并防止换能器外壳14在管道压力之下被推到容器11之外。在换能器外壳14与负载螺母46和锁紧螺母48之间存在径向安置的气体间隙，因此，在容器11与换能器外壳14之间不存在金属与金属接触。应注意，基本上看，具有通道17的容器11为管道12的延伸部，并且就关于本发明的所有意图和目的来说，可以被看做管道12的一部分。

图5中所示为换能器32，换能器32由耐磨面（wearface）56、压电复合材料50以及延迟线36组成，延迟线36套装于铜壳体58中，铜壳体58具有负载圆柱体52和帽盖54。耐磨面56由阻抗匹配材料制成，优选地由大于96%的高纯度氧化铝（Al₂O₃）制成，密度大约为3.64gm/cm³，硬度大于1000努普，且厚度<<λ。压电复合材料50为1-3型复合材料，优选地由PZT-5H和环氧树脂（Smart Material Inc.，美国佛罗里达州萨拉索塔）制成。PZT-5H的体积比大约为50%，因此产生高的耦合系数k_t，为0.75，如果完全耦合的耦合系数是1的话。具有高的耦合系数是需要的，因为这样能够改善超声信号的信噪比。已知声阻抗Z=ρv，其中ρ为密度（kg/m³）及v为速度（m/s），声阻抗Z大约为17兆瑞利。延迟线36起到两个作用：作为反射延迟线36和声衰减器。延迟线36由金属屑制成，其中填以具有低的体积比的环氧树脂，通常为15%。延迟线36足够长，使得反射在与压电元件相距几个波长以上之处发生。延迟线36的典型声速为1277m/s。在200kHz下延迟线36中的波长为6.3mm。在本应用中延迟线36的典型长度为三十二毫米。因此，一旦信号被换能器32接收，一个反射就需要两倍于延迟线36的时间，之后才能被换能器32作为回响（reverberation）来接收。在此情况中，反射的发生要比可检测的信号滞后50微秒。延迟线36中的衰减通常为2.29dB/cm，因此被反射的信号的往返衰减会是14.65dB。为了形成到压电复合材料50的电连接，将（+）导线60和（-）导线62焊接到银箔上，其中使用银环氧树脂导电胶（silver epoxy）将银箔接合到压电复合材料50。整个换能器32被套装在非导电环氧树脂中，以将所有组件囊封并绝缘。

根据该流量计的特定操作条件，可以使用从100kHz到500kHz的频率范围。对于气体测量来说，优选使用宽带复合换能器32。就独特的气体应用，当流速>60英尺/秒时，声波在气流作用之下失真，而波前由换能器32接收。如果使用的是宽带复合换能器32，而不是典型的窄带单片式PZT换能器或Tonpilz换能器，那么所接收的声波的失真会较少。检测上游传送时间信号和下游传送时间信号，以便于控制器20进行气流测量。复合换能器32具有所接收的超声脉冲的上升边缘，该上升边缘可以由控制器20更准确地检测到，进而计算出更准确的传送时间测量值。

电气变压器30被置成与每一换能器32串联，以使得换能器32的电阻抗与电子器件和电缆的阻抗相匹配（图6）。该等电子器件由AC电压V与变压器的一次绕组L1串联，及换能器的阻抗Z与变压器的二次绕组L₂串联所表示。图中所示为当电子器件V与换能器的阻抗Z直接串联时的等效电路，阻抗被缩小为原来的匝数平方（N²）分之一。每一换能器32的电阻抗（4900Ω）被缩小为原来的N²分之一，即除以49得100Ω，以与发射和接收电子器件的100Ω相匹配。每一换能器32受到位于换能器外壳14内的弹簧组装件28的弹簧加载，使得耐磨面56与窗24进行充分的机械接触。油脂被使用来实施换能器32与窗24的声耦合。

换能器外壳14具有声肋26、声隔离器22，以及窗24。声肋26彼此间隔开从λ/4至λ/8，来消除声噪声。在耦合到窗24的超声换能器32的激发（excitation）过程中，低振幅声波（纵波或横波）沿着换能器外壳14传播。该声波根据以下波方程传播：

$\frac{d^{2}y}{d{x}^2}=\frac{1}{c^2}\frac{d^{2}y}{d{t}^2}$

当纵波或横波被肋界面反射时，波的相位变化为ω=π或180度～t=T/2或x=λ/2，被反射的波会与传入的波发生相消干涉，从而将传入的波抵消。因此，

y(x,t)=y₁(ct-x)-y₁(ct+x)=0

由于在换能器外壳14中产生的环境噪声可能具有许多频率和振幅，因此抵消是不完全的。这种噪声抵消使得所接收的超声信号的信噪比改善了10dB。

声隔离器22优选由聚醚醚酮（PEEK）圆盘（厚度>λ）制成，聚醚醚酮圆盘围绕换能器外壳14装配在凸缘34之间。还可以使用其他低声阻抗材料，例如复合泡沫塑料。声隔离器22与管道12相接触，但凸缘34却没有。可以使用传输方程来计算由噪声衰减造成的总噪声损失，所述传输方程使用了以下公式：

$\mathrm{Loss}\left(\mathrm{dB}\right)=20\log 10\left(\frac{P_o}{P_{\mathrm{in}}}\right)=\frac{16*{\left(Z_{\mathrm{peek}}\right)}^2{Z}_{\mathrm{steel}}{Z}_{\mathrm{Ti}}}{{(Z_{\mathrm{peek}}+Z_{\mathrm{Ti}})}^2{(Z_{\mathrm{peek}}+Z_{\mathrm{steel}})}^2}$

其中P_o为压力输出，P_in为压力输入，聚醚醚酮的声阻抗Z_peek为3兆瑞利，钢的声阻抗Z_steel为45兆瑞利，且钛的声阻抗Z_Ti为30兆瑞利。计算出的损失为22dB，但是可能存在更多损失，因为聚醚醚酮、钢和钛部分被压紧在一起但是并没有在机械上接合。

窗24的厚度小于波长，使得窗24在操作频率下实质上是声学透声的。根据传输线理论（transmission line theory），材料越薄，材料声阻抗越接近于该声阻抗。当钛窗的厚度l为钛的λ/10时，声能量传输通过窗24到达气体中，并且没有信号失真。传输线理论的方程为：

$Z_w=Z_{\mathrm{Ti}}\frac{Z_A+{\mathrm{jZ}}_{\mathrm{Ti}}\tan \left(\mathrm{\&beta;l}\right)}{Z_{\mathrm{Ti}}+{\mathrm{jZ}}_A\tan \left(\mathrm{\&beta;l}\right)}$

Z_A：空气的声阻抗

Z_Ti：钛的声阻抗

Z_w：厚度为l的窗24的声阻抗

C_Ti：钛中的声速

f：超声波的频率

λ=C_Ti/f：钛中的波长

β=2π/λ

因为钛具有低于钢的声阻抗（钢为气体管道的典型材料），因此在声学上钛为用来抵抗硫化氢和其他污染物的最佳金属。

超声流量计布置10使用了多个换能器32，每一换能器32位于一个换能器外壳14中，有多条弦路径（chordal path）根据数值积分规则以间隔分布，以便对管道12中的速度分布进行准确取样。一条路径由位于气流上游的一个换能器32和位于气流下游的另一个换能器32组成，这两个换能器32发射和接收信号。使用上游信号与下游信号之间的传送时间的差来计算每条路径的速度。路径速度被控制器20积分，从而计算出流速。这些方程可以用马赫数来修正。

对于C>>V：

L：路径长度

L_chord：弦路径长度

v_axial：轴向气体速度

Q：体积流量

D：开口直径

：路径角度

t₁：上游传送时间

t₂：下游传送时间

Δt：t₂-t₁

V_path：每条路径的气体速度

w_i：每条路径的加权因子

Q=∫∫_crosssectionv_axial(x,y)dxdy

$L_{\mathrm{path}}{V}_{\mathrm{path}}=1/2\frac{L_{\mathrm{path}}^2\mathrm{\&Delta;t}}{t_2{t}_1}$

为了直接测量体积流量，必须将轴向流体速度在垂直于管道12轴线的横截面上进行积分。为了求解气体中的声速和气体速度，需要通过控制器20来测量上游传送时间和下游传送时间。控制器20计算出每条路径长度上的上游传送时间与下游传送时间之间的传送时间差。V_axialL_chord乘积正是在一弦位置处的V_axial dy的线积分。针对图3中的每一位置x₁、x₂、x₃、x₄来计算V_axialL_chord乘积，有效地将管道12的横截面在每个平面中分割成四个区段。每一区段的有效宽度为沿x轴测得的内径D的分数。对于弦位流量计使用勒让德（Legendre）或雅可比（Jacobian）/切比雪夫（Chebychev）间隔或加权，路径位置y和加权因子w并不是随意选择的，而是要遵循数值积分规则。间隔是从管道12的中心起测量的，表1中所示为间隔y₁、y₂、-y₁、-y₂，以及相应的加权因子。通过计算或测量而得知每一弦的长度。

表1：流量计路径间隔以及加权因子

现在，流量Q可以通过以下方程式来计算：

Q=D[w₁Lchord₁vaxial₁+w₂Lchord₂vaxial₂+w₃Lchord₃vaxial₃+w₄Lchord₄vaxial₄]。

其中w₁=w₄，w₂=w₄；Lchord₁=Lchord₄，Lchord₂=Lchord₃。

如本发明所描述，制造出24英寸直径（21.56″ID）超声气体流量计10，具有八条路径，并且在爱荷华州的CEESI气体校准中心根据已知标准进行校准。结果显示了（图5）在从2英尺/秒到100英尺/秒的速度范围内的误差百分比。原始线性度（native linearity）（即；不加校准的24英寸流量计线性度）被确定为仅有+/-0.175%。根据ASME B31.3工艺管道规范（Process Piping Code），使用碳钢来制造管道12。根据UL/cUL Class1,Division1,Groups C&D来设计控制器20。

表2描述了流量计大小、流速和速度。所示的流速是基于schedule40管道型号。超范围流速为120英尺/秒。

表2：流量计大小、流速以及速度

尽管本发明已出于说明的目的而对前述实施例进行了详细描述，但是，应理解，此类详细描述仅仅是为了说明的目的，所属领域的技术人员可以在不偏离本发明的精神和范围的前提下对此类详细描述加以改变，但是描述于所附权利要求书中的部分除外。

Claims (28)

1.一种用于检测管道中气体流速的流量计，包括：

容器，所述容器经配置以附接到管道，所述管道包括有气体流经的通道，气体流经该通道；多个凹槽，所述多个凹槽延伸通过所述容器；以及多个外壳，每一凹槽均具有外壳，所述外壳承受所述通道中的压力，每一外壳具有与所述通道声连通的窗；

多个换能器，其中在每一凹槽中均安置有所述多个换能器中的一个换能器，所述换能器通过其中安置有换能器的外壳中的窗，向所述通道发射超声信号以及从所述通道接收超声信号；以及

控制器，所述控制器与所述多个换能器进行电通信，所述控制器通过测量由所述换能器发射和接收的信号的传送时间来确定所述通道中的所述气体流速。

2.根据权利要求1所述的流量计，其中所述窗的厚度小于所述窗材料中超声的1/4波长。

3.根据权利要求2所述的流量计，其中所述窗厚度约为所述窗材料中超声的1/10波长。

4.根据权利要求3所述的流量计，其中所述多个换能器中的一个换能器安置在每一外壳中，每一外壳安置在每一凹槽中。

5.根据权利要求4所述的流量计，其中所述外壳为容纳所述通道中的压力的压力边界，并且基本上防止所述通道中的气体逸出到所述外壳中，所述外壳与所述通道形成气密密封。

6.根据权利要求5所述的流量计，其中，不需将所述管道减压或不需使用取出工具来将所述换能器从所述凹槽中移除，其中所述取出工具是能通过可承受所述通道中压力的压力容纳组件而将所述换能器移除的取出工具。

7.根据权利要求6所述的流量计，其中由所述换能器所发射和接收的超声信号界定出在第一平面中的第一路径以及在第二平面中的第二路径，这两个路径在所述通道中相交。

8.根据权利要求7所述的流量计，包括声隔离器，所述声隔离器将所述换能器外壳与所述容器进行声隔离。

9.根据权利要求8所述的流量计，其中所述换能器耦合至所述窗。

10.根据权利要求9所述的流量计，其中所述窗由金属或塑料制成。

11.根据权利要求10所述的流量计，其中所述窗由钛、聚醚醚酮或聚苯硫醚制成。

12.根据权利要求11所述的流量计，其中每一换能器均为宽带压电复合换能器，若完全耦合的耦合系数是1，那么宽带压电复合换能器的耦合系数大于0.7，声阻抗小于34兆瑞利。

13.一种用于流量计的超声换能器的外壳，所述外壳插入到有气体流动通过的容器的凹槽中，所述外壳包括：

罩壳，所述罩壳中安置有所述换能器，所述罩壳具有外表面和从所述罩壳的所述外表面延伸出的凸缘，以及多个声肋，所述声肋被安置成靠近所述罩壳的末端，所述换能器从所述罩壳的该末端发出信号，所述罩壳将信噪比改善到大于100:1，所述声肋将所有非气体路径中的声音衰减至少25%。

14.根据权利要求13所述的外壳，包括所述外壳安置周围的声隔离器，当所述换能器安置在所述容器的凹槽中时，所述隔离器接触所述容器和所述外壳，其中所述声隔离器安置在所述管道与所述外壳之间使得所述外壳不接触所述容器。

15.根据权利要求14所述的外壳，其中所述声隔离器包括安置于所述外壳的凸缘周围的圆盘。

16.根据权利要求15所述的外壳，其中所述圆盘由塑料、复合泡沫塑料或橡胶制成。

17.根据权利要求16所述的外壳，在所述外壳的外表面上没有使用阻抗匹配材料来改善从所述换能器到所述气体的信号传输，而是使用了小于1/4波长的窗厚度，使得所述窗能声学透声。

18.根据权利要求17所述的外壳，其中在所述外壳与所述容器之间不存在金属与金属的接触。

19.一种用于检测管道中的气体流速的方法，所述方法包括以下步骤：

把超声信号，从安置在容器中的多个凹槽里的多个换能器，通过每一凹槽中的由金属制成的窗，发射到所述容器的通道中，其中所述容器附接到管道，其中气体流经所述容器的通道，其中在每一凹槽中安置所述多个换能器中的一个换能器，并且所述窗与所述通道声连通；

由所述凹槽中的所述换能器通过所述窗从所述通道接收超声信号；以及

使用控制器通过测量由所述换能器发射和接收的信号的传送时间来确定所述通道中的气体流速，所述控制器与所述多个换能器进行电通信。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述窗为容纳所述通道中的压力的压力边界并防止所述通道中的气体逸入所述外壳中，所述窗与所述外壳形成气密密封，并且还有这样的步骤：可不需要将所述管道减压或不需要使用取出工具而将所述换能器从所述凹槽中移位，其中所述取出工具是可通过能承受所述通道中压力的压力容纳组件而将所述换能器移除的取出工具。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述发射步骤包括通过所述换能器沿第一平面中的第一路径和第二平面中的第二路径发射超声信号的步骤，所述第一路径和所述第二路径在所述通道中相交，而所述接收步骤则是包括通过所述换能器从所述第一路径和从所述第二路径接收超声信号的步骤。

22.根据权利要求21所述的方法，包括通过声隔离器将所述凹槽中安置有所述换能器的外壳与所述容器进行声隔离的步骤。

23.根据权利要求22所述的方法，包括向所述换能器施加力来使所述换能器与所述窗保持接触的步骤。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述发射步骤包括以下步骤：

由所述第一路径中的上游超声换能器产生平面波，所述平面波传播通过所述通道并且由所述第一路径中的下游超声换能器接收；

由所述下游换能器基于所述下游换能器所接收的所述平面波而产生下游换能器信号；

由所述第一路径中的所述下游超声换能器产生平面波，所述平面波传播通过所述通道并且由所述第一路径中的所述上游超声换能器接收；

由所述上游换能器基于所述上游换能器所接收的所述平面波而产生上游换能器信号；以及

由所述控制器根据由所述上游换能器和下游换能器所产生和接收的所述信号的传送时间确定气体流速。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述移动步骤包括这样的步骤：不使用取出工具来移动所述换能器的步骤，所述取出工具通过压力容纳组件来移除所述换能器，所述压力容纳组件提供了气密、承压的封闭空间，在所述封闭空间内所述换能器可以从所述容器上卸下并允许所述通道中的所述气体填充所述封闭空间而不会泄露到所述容器周围的外部环境中。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述移动步骤包括这样的步骤：不使用阀门来密封凹槽而移动所述换能器，从而允许在所述取出工具内的所述封闭空间被放气，其中该凹槽是所述换能器所要从其移除的凹槽。

27.一种用于超声流量计的换能器，包括：

壳体；以及

安置在所述壳体中的宽带压电复合材料，若完全耦合的耦合系数是1，那么该宽带压电复合材料大于0.7，以及声阻抗小于34兆瑞利。

28.根据权利要求27所述的换能器，包括与所述换能器的电阻抗相匹配的变压器。

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