CN105737918B - 用来测量流体流量的超声方法和装置 - Google Patents

用来测量流体流量的超声方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了用来测量流体流量的超声方法和装置，其中涉及的一种方法，用来测量在一个空间内流动的流体的流量。在该方法中，分别沿多条传播路径在多对超声传感器之间穿过所述空间传送和接收超声波，基于每对超声传感器获得的数据计算所述流体的平均线速度，以获得穿过所述空间的多个平均线速度，再基于所述多个平均线速度计算所述流体的流量。本发明还涉及用所述方法来测量流体流量的超声装置。

Description

用来测量流体流量的超声方法和装置
技术领域
本发明涉及一种超声方法以及使用该方法来测量流体流量的超声装置。
背景技术
超声设备和方法被广泛用来测量流体，比如在管内流动的液体或气体的物理性能。用超声来测量流体流量的方法有很多种，其中目前使用最广泛的方法之一是时差法(transit-time method)。
如图1所示，在用时差法测流体的流量时，一般会在流体的上、下游分别放置一个传感器。通过在两个传感器之间交替地发送和接收一阵超声信号，并测量该信号在两个传感器之间传送所花费的时间，可分别获得该信号从上游传感器传送到下游传感器所需的时间Tdown、以及该信号从下游传感器传送到上游传感器所需的时间Tup。这样，流体沿着该超声信号路径的平均流速V可以通过以下公式计算：
其中P为超声信号在流体中的路径，θ为该路径的角度。
通过公式Q＝K*A*V可以计算出流量，其中A为管道的内横截面面积，K为仪表系数，通过标定来确定。
时差法可适用于不同情形下的流量测量，但对于复杂管道中的流量测量却还存在一些问题。比如，管道内部有别的部件如更小内径的管道，在内、外管之间形成一个环状空间，在上、下游传感器之间传播的超声波可能会被内管挡住，且该空间内的流动剖面比较复杂等。因此，需要有一种超声装置和方法能对复杂管道如环状空间内的流体的流量进行精确测量。
发明内容
本发明一方面涉及一种方法，在该方法中，让流体在一空间内流动，分别沿多条传播路径在多对超声传感器之间穿过所述空间传送和接收超声波，基于每对超声传感器获得的数据计算所述流体的平均线速度，以获得穿过所述空间的多个平均线速度，再基于所述多个平均线速度计算所述流体的流量。
本发明另一方面涉及一种超声装置，其包括管道元件，该管道元件具有一个空间来让流体在其中流动。所述超声装置还包括多对超声传感器，每对超声传感器的排布使得该对超声传感器之间传播的超声波沿一传播路径穿过所述空间。所述超声装置还包括处理器，用来基于每对超声传感器获得的数据计算所述流体的平均线速度，以获得穿过所述空间的多个平均线速度，并基于所述多个平均线速度计算所述流体的流量。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1显示了一种典型的时差超声测量方法。
图2是根据本发明的一个实施例的超声装置的示意图。
图3是图2中沿A-A方向的剖视图，显示了所述超声装置的一个纵截面。
图4显示了根据本发明的一个实施例中的超声装置的超声传播路径。
图5显示了根据本发明的一个实施例中的超声装置的俯视图。
图6显示了根据本发明的另一个实施例中的超声装置的俯视图。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施例进行描述。除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或”是指包括所列举的元件或者物件中的任一个或全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。“多个”包括两个和两个以上，“多对”包括两对和两对以上。
本发明的实施例涉及一种可用来测量在一定空间内流动的流体的流量的超声装置。所述超声装置包括一个管道元件，其形成有一定空间来让流体在其中流动。比如，所述超声装置可包括一个外管，设置来接收和容纳一个内部元件，在该外管和内部元件之间形成一个环状空间(环形通道)来让流体在其中流动。该超声装置还包括多对超声传感器，每一对排布来使得在其间传送和接收的超声波能沿着传播路径穿过所述空间。可将所述超声装置连接于上下游管道之间，类似于接头，使得流体能从上游管道流经所述超声装置后流到下游管道中。
图2为一种示例性的超声装置100的示意图。该超声装置100包括外管101，设置来接收一内部元件，如内管201。在所述外管101和内部元件201之间形成有一环状空间300用来让流体通过。所述环状空间可设置成任意形状，具体取决于外管101和内部元件201的形状。所述超声装置100进一步包括多对超声传感器，用来获得计算所述环状空间300内流动的流体的流量所需的数据。在图示的实施例中，有四对超声传感器，包括第一对111和112、第二对113和114、第三对115和116、以及第四对117和118。至少一对超声传感器被排布和设置来让在其间传播的超声波的传播路径穿过所述环状空间300但不穿过所述内部元件201。
由于所述四对超声传感器是以大致相同的方式排布和设置的，下文将以第一对111和112为例对该四对超声传感器的排布方式进行详细描述。对于第一对超声传感器111和112来说，在环状空间300内的流体流动方向上，传感器111位于传感器112的上游。在一个具体的实施例中，所述传感器111和112安装在所述外管101上，彼此沿着该外管101的第一弦线121对齐，该弦线121与外管101的截面成一定角度。这样，超声波可沿着该第一弦线121(第一传播路径)在传感器111和112之间传播。所述第一弦线121穿过所述环状空间但不穿过可能位于外管101的中心处的所述内部元件201。在一个具体的实施例中，所述第一弦线121既不平行于所述外管的中心轴线，也不与该中心轴线相交，因此与该轴线不共面。
类似地，第二对超声传感器113和114之间的超声波可沿着第二弦线123(第二传播路径)传播，第三对超声传感器115和116之间的超声波可沿着第三弦线125(第三传播路径)传播，第四对超声传感器117和118之间的超声波可沿着第四弦线127(第四传播路径)传播。在图示的实施例中，所述第一传播路径121和第二传播路径123位于所述内部元件201的相对两侧。所述第三和第四传播路径125和127位于所述内部元件201的另外的相对两侧。所述第一、第二、第三和第四传播路径121、123、125和127大致围绕所述内部元件201。
由于在测量过程中所述内部元件201可能在外管101内的空间中运动或摇晃，因此所述传播路径中的一个或多个可能会被内部元件201挡住。通过上述排布，即便是内部元件201在外管101内运动或摇晃的情况下也可保证整个流量测量的过程始终有至少一个超声传播路径是不会被内部元件201挡住的。在一些实施例中，通过所述超声传感器的排布，可保证即便是内部元件201在外管101内运动或摇晃的情况下整个流量测量的过程至多会有一个超声传播路径被内部元件201挡住。比如，通过所述沿外管弦线排布的设计，若内部元件201的晃动挡住了第一传播路径121，在该第一传播路径相对的另一侧的第二传播路径123、以及所述第三传播路径125和第四传播路径127也不会被该内部元件201挡住。
为了保证所述多对超声传感器之间传播的超声波在流体的流向上穿越的是所述环状空间中大致相同的一段测量区间，可将所述多对超声传感器的第一传感器都排布在垂直于所述流向上的一个大致相同的平面上，而将该多对超声传感器的第二传感器都排布在垂直于所述流向上的另一个大致相同的平面上。比如，在如图2所示的所述超声装置100中，所述四对超声传感器中的第一传感器111、115、113和117大致位于垂直于所述环状空间300中流体的流向的一个平面上，而该四对超声传感器中的第二传感器112、116、114和118大致位于垂直于该流向的另一个平面上。
对于沿外管101的一条不与其中心轴线相交的弦线排布的一对传感器，其超声传播路径会比沿外管101的与其中心轴线相交的直径线排布的一对传感器的超声传播路径更短，因此，对于超声的穿透深度的要求更低，从而可以提高流量测量的精度。在一些实施例中，可通过优化每对超声传感器之间的距离来增强流量测量的精确性和(或)实现对高衰减流体的流量测量。比如，每对超声传感器之间的距离可能设计成短到足够能实现对高衰减流体如重泥浆的流量进行测量。在一些实施例中，所述每对超声传感器之间的沿外管101弦线延伸的超声传播路径比该外管101的直径短，或者更短，比如，其可能短于该外管101的直径的80％处。
图3是图2中沿A-A方向的剖视图，显示了所述超声装置100的一个纵截面。如图3所示，所述外管101设置来与一个或多个管道401和403相接。在一个具体的实施例中，在所述外管101的侧壁中开设有螺栓孔105，在管道401或403的凸缘上设有对应的螺栓孔405，所述外管101通过穿过所述互相对应的螺栓孔105和405的螺栓连接在一起。当所述外管101连接到所述管道401和403后，所述外管101与该管道401和403流体连通，形成连通管，在其内形成一连续的通道以接收内部元件和流体。在一个具体的实施例中，有一内部元件从所述连通管内穿过，在该内部元件和连通管之间形成的环状通道可让流体从中通过。在一个具体的实施例中，所述内部元件是一个内管，其界定了一个与所述环状通道流体连通的通孔，设置来将流体输入到所述环状通道，其中，所述流体在内管中的通孔中的流动方向与其在所述环状通道中的流动方向相反。
所述一对或多对超声传感器可安装于所述外管101。在一些实施例中，所述超声传感器安装在所述外管101的外表面。在一些实施例中，所述超声传感器安装于所述外管101的侧壁中或是穿过所述侧壁安装。外管101内流动的流体的温度可能会比较高，而所述超声传感器可能对温度比较敏感，因此可用一个隔热元件，比如一个隔热的内衬，来将所述安装于外管101上的超声传感器与所述外管101内的流体热隔离开来。此处所述的“将超声传感器与流体热隔离”是指将整个超声传感器与流体热隔离或至少将超声传感器的热敏感部件与流体热隔离开来。其中，超声传感器的热敏感部件可能是构成所述超声传感器的压电基片等部件。
所述隔热元件可能具有较高的热阻，可以有效地防止流体的热量传递到所述安装于隔热元件后面的超声传感器。此外，所述隔热元件还具有相对较高的强度，能有效地承受外管101内的压力。比如，在一些实施例中，所述隔热元件的热阻和强度都比外管101的高。在一个具体的实施例中，所述隔热元件由一种包括钛的材料制成。所述隔热元件可设置成不同的形式。比如，在一些实施例中，所述隔热元件可能包括一覆盖外管101的整个内表面的内衬(内层)。在一些实施例中，所述隔热元件可能包括多个头部垫片(堵头)，分别安装于各超声传感器前端，用来保护各超声传感器使其不受外管101内的流体的高温和(或)高压的影响。
在一个如图3所示的具体实施例中，所述超声传感器111包括感应器141和用来支持所述感应器141的支持件142，所述超声传感器112包括感应器143和用来支持所述感应器143的支持件144。所述感应器141和143各包括一个热敏元件，如组装于感应器前端的压电晶片(未图示)等。所述超声传感器111和112穿过所述管壁安装，其前端分别装有头部垫片131和132，用来将所述超声传感器111和112与环状空间300中的流体物理隔离和热隔离开来。
以下以131为例对头部垫片131和132的结构进行详细的说明。所述头部垫片131形成有一面向和(或)接触所述外管101中流动的流体的流体接触面和一大致拟合了超声传感器111的前端(就是热敏感部件所在的位置)的配合面。通过在所述紧密配合的配合面和超声传感器111前端之间的空间中施加声耦合剂，可以将不利于声传播的空气从该空间中驱除。所述流体接触面大致平行于所述感应器141的前端，以防止声束在所述流体接触面上发生折射。所述头部垫片131的所述与感应器141前端平行的流体接触面和所述外管101的内表面之间可能会形成凹口，为了防止流体中所含的固体堆积于所述凹口中阻挡所述感应器141的视线，在一些实施例中，可在所述头部垫片131的前端设置过滤器133。所述过滤器133可以是能让液体通过而不让液体中的固体通过的滤网。在一个具体的实施例中，所述滤网是柔性的，被外管101中的内部元件碰撞到的时候起可发生变形的。这样的过滤器133不仅可以在流量测量的过程中防止超声传波通道被流体中堆积的固体阻挡，而且也可以防止该内部元件被过滤器133撞坏。
通过设置这样的头部垫片131，可将位于所述超声传感器111前端的热敏感部件与环状空间300内的流以及外管101的管壁隔离开来，该管壁的热阻比所述头部垫片131低，因此可能处于一个相对较高的温度。在一些实施例中，还可以增加侧垫片(未图示)，用来将超声传感器111的其他部件与所述外管101隔离开来。
所述头部垫片132也以类似的方式设置，且在其流体接触面的前端也有一过滤器134。其余的超声传感器113、114、115、116、117和118也以类似的方式安装和设置，也具有对应的头部垫片和侧垫片。这些超声传感器前端的头部垫片能抵挡所述环状空间内流动的流体的高温高压，侧垫片能将这些超声传感器与外管101隔离开来以减少可能在外管101内产生的短路噪音(short-circuit noise)。
本文对于所述超声传感器的对数和排布没有限制，在不同的实施例中，可以只有一对超声传感器，也可以有两对或三对，或者是多于四对的超声传感器。在一些实施例中，可以有两组或更多的如前所述的四对超声传感器。只要在流体测量的过程中能确保至少一个超声传播路径没有被所述内部元件阻挡，这些超声传感器可以不同的方式排布。比如，在如图4所示的超声装置500中，有两组每组四对的超声传感器，即共有八对超声传感器排布在一外管501上，形成如图4中虚线所表示的八条超声传播路径。
通过如前所述的多对超声传感器，可测量外管和该外管内的内部元件之间的环状空间内流动的流体的流量。在测量的过程中，可在该空间中通入流体，并分别沿多条超声传播路径在多对超声传感器之间穿过所述空间传送和接收的超声波。每一对所述超声传感器都可以收发两用模式(transmit-receive mode)或脉冲回波模式(pulse-echo mode)工作。在一些实施例中，每对超声传感器以一种传统的收发两用模式工作，其中，先由上游传感器传送超声信号而由下游传感器接收该超声信号一次或多次，再由下游传感器传送超声信号而由下游传感器接收该超声信号一次或多次。在一些实施例中，每对超声传感器中的上、下游传感器都同时工作，以减少传感器的响应时间。
从所述各对超声传感器中可获得用来计算平均线速度(mean line velocity)的数据，该数据可包括以相反的方向在该对传感器中传播超声波的传播时间差。通过一个或多个处理器，如计算机或其他处理设备，基于从所述多对超声传感器中获得的数据可计算出多个平均线速度，基于该多个平均线速度可计算获得所述流体的流量，如体积流量等。
在一些实施例中，所述流量(flow rate,FR)可通过以下计算式获得：
其中，i表示超声传播路径的第i个方向，n表示所述方向的总数，
其中，j表示第i个方向上的第j条超声传播路径，m表示第i个方向上的超声传播路径的总数，表示流体沿着所述第i个方向上的第j条超声传播路径的平均线速度，si，j表示与第i个方向上的第j条超声传播路径相关的一个区域的面积。具体来说，si，j表示覆盖或对应所述第i个方向上的第j条超声传播路径的一个区域的面积，其可能随着超声传播路径的总数以及所述流体所处的空间的形状和尺寸的变化发生变化，其中，表示该空间的一个横截面的面积。
所述多对超声传感器的使用可以实现多个测量来获得数据，以增强测量的精确性，通过该多对超声传感器所进行的多个测量覆盖了所述环状空间中流体的更多区域，使得测量更加可靠。对于所述方向的数量或每一方向上的传播路径的数量都没有限制。为了用尽可能少对的超声传感器覆盖尽所述环状空间的可能多的区域，所述多条超声传播路径可能沿至少一组大致互相垂直的两个方向延伸。在一些实施例中，在其中的至少一个方向上，有至少两条超声传播路径，分别位于所述内部元件的两侧。特别地，在一些具体的实施例中，在每一个方向上都有至少两条超声传播路径，分别位于所述内部元件的相对两侧。
比如，如图5所示，其显示了超声装置600的俯视图，该超声装置600有一个外管601，设置用来与一个或多个管道相连，并用来接收一个内部元件602。有四对超声传感器(未图示)形成四条超声传播路径611、612、621和622，分别沿该外管601的弦线延伸而不穿过所述内部元件602。所述传播路径611和612沿第一方向d1延伸，并分别位于所述内部元件602的相对两侧，所述传播路径621和622沿一大致垂直于所述第一方向d1的第二方向d2延伸，并分别位于所述内部元件602的另外相对两侧。所述四条传播路径611、612、621和622大致包围所述内部元件602。
如图6所示，其显示了超声装置700的俯视图，该超声装置700有一个外管701，设置用来与一个或多个管道相连，并用来接收一个内部元件702。十六对超声传感器(未图示)形成是十六条超声传播路径711、712、713、714、721、722、723、724、731、732、733、734、741、742、743和744，分别沿该外管701的弦线延伸。对于这些超声传播路径的方向，除了如图5所示的第一方向d1和第二方向d2之外，还增加了两个方向，即第三方向d3和第四方向d4。该第三方向d3和第四方向d4互相垂直，且分别与d1和d2形成大致相同的夹角。所述传播路径711、712、713和714沿第一方向d1延伸，其中711和712位于内部元件702的一侧，713和714位于相对的另一侧。所述传播路径721、722、723和724沿第二方向d2延伸，其中721和722位于内部元件702的一侧，723和724位于相对的另一侧。所述传播路径731、732、733和734沿第三方向d3延伸，其中731和732位于内部元件702的一侧，733和734位于相对的另一侧。所述传播路径741、742、743和744沿第四方向d4延伸，其中741和742位于内部元件702的一侧，743和744位于相对的另一侧。
在前述实施例中，至少有一对超声传感器的位置被设置来使其超声传播路径沿外管的弦线延伸而不穿过内部元件。在这样的弦线排布中，至少一对超声传感器之间的超声传播路径没有被所述内部元件挡住，从而能够实现复杂形状管道如环状空间内流体的流量测量。此外，这样的排布使得超声传播路径更短，因而对于超声的穿透深度的要求更低，可实现对更高衰减度的流体及更大规模的流体的流量测量。再者，通过优化所述跨越环状空间的超声传播路径的排布，并用上述的算法计算流量，可以提供高精度的流量测量。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (16)

1.一种用超声来测量流体流量的方法，其包括：
让流体在一空间内流动；
分别沿多条传播路径在多对超声传感器之间穿过所述空间传送和接收超声波；
基于每对超声传感器获得的数据计算所述流体的平均线速度，以获得穿过所述空间的多个平均线速度；以及
基于所述多个平均线速度计算所述流体的流量，其中，所述流量(FR)是通过以下公式计算获得的：
其中，i表示超声传播路径的第i个方向，n表示所述方向的总数，其中j表示第i个方向上的第j条超声传播路径，m表示第i个方向上的超声传播路径的总数，表示流体沿着所述第i个方向上的第j条超声传播路径的平均线速度，si,j表示与第i个方向上的第j条超声传播路径相关的面积。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述空间包括一个在外管和该外管中的内部元件之间形成的环形通道，沿至少一条传播路径的超声波穿过所述环形通道但不穿过所述内部元件。
3.如权利要求2所述的方法，其中，至少一个所述方向上的传播路径包括位于所述内部元件的相对两侧的两条传播路径。
4.如权利要求2所述的方法，其中，所述方向包括一组大致互相垂直的方向d1和d2。
5.如权利要求4所述的方法，其中，在所述方向d1上的传播路径包括位于所述内部元件的相对两侧的第一和第二传播路径，在所述方向d2上的传播路径包括位于所述内部元件的相对两侧的第三和第四传播路径，所述第一、第二、第三和第四传播路径大致包围所述内部元件。
6.如权利要求4所述的方法，其中，所述方向进一步包括一组大致互相垂直的方向d3和d4。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述每对超声传感器获得的数据包括以相反的方向在该对传感器中传播超声波的传播时间差。
8.如权利要求1所述的方法，其中，每对所述超声传感器包括第一传感器和第二传感器，在所述空间内流动的流体的流向上，所述第一传感器位于所述第二传感器的上游。
9.一种超声装置，其包括：
管道元件，其具有一个空间来让流体在其中流动；
多对超声传感器，每对的排布使得该对超声传感器之间传播的超声波沿传播路径穿过所述空间；以及
处理器，用来基于每对超声传感器获得的数据计算所述流体的平均线速度，以获得穿过所述空间的多个平均线速度，并基于所述多个平均线速度计算所述流体的流量，其中，所述流量(FR)是通过以下公式计算获得的：
其中，i表示超声传播路径的第i个方向，n表示所述方向的总数，其中j表示第i个方向上的第j条超声传播路径，m表示第i个方向上的超声传播路径的总数，表示流体沿着所述第i个方向上的第j条超声传播路径的平均线速度，si,j表示与第i个方向上的第j条超声传播路径相关的面积。
10.如权利要求9所述的超声装置，其中，所述空间包括一个在外管和该外管中的内部元件之间形成的环形通道，沿至少一条传播路径的超声波穿过所述环形通道但不穿过所述内部元件。
11.如权利要求10所述的超声装置，其中，至少一个所述方向上的传播路径包括位于所述内部元件的相对两侧的两条传播路径。
12.如权利要求10所述的超声装置，其中，所述方向包括一组大致互相垂直的方向d1和d2。
13.如权利要求12所述的超声装置，其中，在所述方向d1上的传播路径包括位于所述内部元件的相对两侧的第一和第二传播路径，在所述方向d2上的传播路径包括位于所述内部元件的相对两侧的第三和第四传播路径，所述第一、第二、第三和第四传播路径大致包围所述内部元件。
14.如权利要求12所述的超声装置，其中，所述方向进一步包括一组大致互相垂直的方向d3和d4。
15.如权利要求9所述的超声装置，其中，所述每对超声传感器获得的数据包括以相反的方向在该对传感器中传播超声波的传播时间差。
16.如权利要求9所述的超声装置，其中，每对所述超声传感器包括第一传感器和第二传感器，在所述空间内流动的流体的流向上，所述第一传感器位于所述第二传感器的上游。
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