CN106461434A - 超声波流量探头和监测管道内流体流动的方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波流量探头（100），包括：安装于管道表面并由此限定垂直于该表面的安装轴线（B）的安装件（101）、安装于所述安装件（101）上的支架（103）、安装于所述支架（103）上并沿主轴线（A）对齐的多个超声换能器；其中，所述支架（103）和所述安装件（101）可配置为使得所述主轴线（A）与所述安装轴线（B）成一角度，从而，在使用中，所述超声换能器（105）间传递的超声波以与所述管道中流动的流体成一角度而传送。

Description

超声波流量探头和监测管道内流体流动的方法

技术领域

本发明涉及超声波流量探头和用于监测管道例如排气管内流体流动的方法。更具体但不排他地，本发明涉及一种用于监测管道内流体流动的超声波流量探头。

背景技术

通常希望了解管道例如排气管内流体流动的特性。其可能是因法规要求监测排放物，或者是期望改善工业处理的效率。被测量的流体流动特性可以包括：流体的平均流速、流体的速度分布、和/或流体内来自层流的任何偏移。

流体流动的测量技术有很多种，包括光学方法、电学方法以及超声波方法。在典型的超声波方法中，超声波探头沿路径发射和反向接收超声波，该路径具有平行于流体流动的分量。发射和接收超声波的传播时间差可以与探头间沿该路径的流体的平均速度相关。

目前有一些用超声波测量颗粒流动的装置和方法。这些装置包括整体地安装到管道的壁内的传感器、可被卡箍于管道外壁上的传感器、以及可被插入管道内的探头。

例如，公开号为WO2013/165670的国际专利申请揭露了一种管段式流量计。此流量计包括流道，通过该流道的流体流动将被测量。流量计具有嵌入流道周围的第一传感器和第二传感器，用以发射和接收超声波能量。传感器被整体地嵌入管段的壁内。传感器也可以按类似方式通过开孔或钻孔来安装到管道的侧面内。管段式流量计的安装和制造成本可能会很高。而且，这类流量计的一个明显的缺点是，如果没有安装和使用另外多对传感器，将只能测量一个部位的流体流动。

例如，公开号为US2014/0000339的美国专利申请揭露了外夹式流量计，其从管道的外部进行测量。这种流量计的安装相对简单且具有成本效益，因为流量的测量不需要接触流体。然而，管道通常传送有大量噪声，当流体的密度非常低，或者流体是气体时，管道传送的超声波信号非常差，结果导致低的信噪比。

此外，上述流量计通常仅测量沿着管道直径的流体流动的平均速度。对于可表示紊流的管道中特定位置的速度，其测量只能通过提供另外多对传感器或大量地重新布置传感器来实现。

例如EP0477419所公开的流量计，其配置为探针形式，用于采样管道中的一部分流量，需要安装口插入管道，并与管道成例如45度的角度。

本发明寻求解决上述问题。作为选择地或者作为附加地，本发明寻求一种使用超声波换能器来测量管道内的流体流动特性的改进方法和装置。

发明内容

根据第一方面，本发明提供一种超声波流量探头，其包括：安装在管道的表面上并由此限定垂直于表面的安装轴线的安装件，安装在安装件上的支架（frame），安装在支架上并沿主轴线对齐的多个超声换能器；其中，支架和安装件可配置为使得主轴线与安装轴线成一角度，从而，在使用中，超声换能器间传递的超声波以与管道中流动的流体成一角度而传送，例如大于0度并小于90度的角度。

可以理解的是，当安装件安装在表面上时，安装轴线与表面垂直。本领域普通技术人员可以理解的是，通过安装件来确定安装轴线。还可以理解的是，安装件可以按各种方式安装于该表面。例如，安装件可以固定于该表面。又如通过将安装件穿过表面而将安装件安装于该表面。安装件还可以通过该表面而固定，并因此认为被安装在表面上。

根据第一方面，超声波流量探头可以插入管道内。在管道中流动的流体可以流经超声波流量探头。两换能器可以发射并接收反向传播的超声波。然后可以确定超声波的飞行时间，并且可以计算出流体流动的特性。

根据第一方面，超声流量探头将能够直接测量管道内的流体流动。探头的安装件可以允许它被安装于管道，而管道无需包括专门成一角度的管段。从而可在探头的安装过程中节省时间和成本。

超声波流量探头可以具有包括两个臂的支架。每个臂上安装超声换能器。

主轴线和安装轴线之间的角度可以是在大于0度且小于90度的范围内。优选地，角度范围为大于5度到小于85度，例如大于10度至小于80度的范围，例如大于20度至小于70度的范围。具有在此范围内的角度是有利的，这意味着两换能器之间的路径具有平行于流体流动的分量。

支架可以安装到安装件，使得主轴线和安装轴线之间的角度可调。这可允许主轴线被放置在与流体流动成一对于给定应用为最优的角度。主轴线和安装轴线之间的角度可以调节为第一角度，以允许探头插入到管道中，以及可调节为第二角度，以进行测量。这可以使得流量探头被插入到的各种形状和尺寸的管道内。主轴线和安装轴线之间的角度可以通过自动致动系统调节。致动系统可以允许远程更改主轴线的角度。这样可以允许流量探头在各种角度下进行测量。然后流体的速度分布可以在探头的采样区内确定，而不需要另外一对换能器。此外，这可以允许以不同的角度来进行测量而不会干扰或阻止流体流动。

超声波流量探头可以具有固定的角度于主轴线和安装轴线间。这可以减少不同应用中探头的制造成本，其中主轴线需要与安装轴线成一特定角度。

超声波流量探头可以具有能够绕安装轴线旋转的支架。这可允许主轴线被放置在与流体流动成一对于给定应用为最优的角度。支架绕安装轴线的旋转可通过致动系统调整，其可以是自动的。致动系统可以允许远程更改支架绕安装轴线的旋转。这使得绕安装轴线的旋转能够不干扰或阻止管道内的流体流动而发生。支架绕安装轴线的旋转可以允许流体的三维速度分布得以建立在探头的采样区内。

换能器的间隔可通过致动系统调整，其可以是自动的。换能器的可调整间距可以允许流量探头的采样区被调整为对于给定应用为最优的大小。换能器的间隔可以调整为允许探头插入到管道内的第一位置，以及调整为用以进行测量的第二位置。这可使得流量探头得以插入到各种形状和尺寸的管道。超声波流量探头可以包括用于改变换能器的间隔的自动致动系统。这可使得换能器间隔得以调整而不干扰或阻止管道中的流体流动。

主轴线和安装轴线之间的角度可配置为测量管道内流体流动的具体特性。这些特性可以包括流体的速度分布。

根据本发明的第二个方面，提供了一种用于监测管道内流体流动的方法，包括：提供包含沿主轴线对准的两个超声波换能器的超声波流量探头；将超声波流量探头插入管道；将超声波流量探头安装于管道的表面；调整探头，使得主轴线与安装轴线成一角度，而安装轴线垂直于表面；并通过以下测量流体流动的特性：在两个换能器之间反向传播超声波；确定超声波的飞行时间；以及根据飞行时间计算流体流动的特性。

将超声波流量探头安装于管道的表面的步骤可以，例如，包括将超声波流量探头安装到表面或穿过表面，其可以是管道的内表面。

这样的这种用于监测流体流动的方法允许直接测量流体流动。因此，管道无需包括专门成一角度的管段。这样可减少与安装探头相关联的时间和成本。主轴线与安装轴线间所成角度的调节可以允许探头被放置在一对于给定应用为最优的角度。也可以重新调整已安装的探头。

主轴线和安装轴线间的角度可以在值为大于0度小于90度的范围内调整。因而有可能将主轴线设置为与流体流动的平均速度成一角度。主轴线和安装轴线之间的角度在探头插入管道期间可以调整为零度，而在测量期间可以调整为大于0度小于90度的值。这使得流量探头得以插入各种形状和大小的管道内。主轴线和安装轴线之间的角度可通过致动系统调整，其可以是自动的。致动系统可以允许远程更改主轴线的角度。这使得可以在不同角度下进行测量以改变主轴线的角度，而不会干扰管道内的流体流动。

该方法可以包括在测量之前通过绕安装轴线旋转来调整支架。这可允许主轴线被放置在与流体流动成一对于给定应用为最优的角度。支架绕安装轴线的旋转可通过致动系统调整，其可以是自动的。这使得绕安装轴线的旋转能够不干扰或阻止管道内的流体流动。

该方法可以包括在测量之前调整换能器的间隔。这一调整可通过致动系统调整，其可以是自动的。换能器间隔的调整可以允许流量探头的采样区被调整为对于给定应用为最优的大小。换能器的间隔可以调整到第一位置以允许探头插入到管道内，以及调整到第二位置以进行测量。这可使得流量探头得以插入到的各种形状和尺寸的管道。超声波流量探头可以包括用于改变换能器的间隔的自动致动系统。这可使得换能器间隔得以调整而不干扰或阻止管道中的流体流动。

该方法可以包括调整主轴线和安装轴线之间的角度，以测量管道内流体流动的具体特性。这些特性可以包括流体的速度分布。测量可以包括在一角度范围内扫描主轴线，其中一个或多个测量可在该角度范围内进行。

应当理解的是，此处所述的关于本发明一个方面的特征可并入本发明的另一方面。例如，本发明的方法可包括在此所述的本发明的装置的任一特征，且反之亦然。

附图说明

本发明的实施例将参照示意图并仅以示例的方式来描述，其中：

图1示出了根据本发明第一实施例的超声波流量探头的侧视图；

图2示出了图1的超声波流量探头的端视图；

图3示出了图1的超声波流量探头的透视图。

具体实施方式

图1、图2和图3示出了第一实施例的超声波流量探头100，其包括：安装件101、安装在安装件101上的支架103、以及安装在支架103上的两个超声换能器105。

安装件101是圆筒状部件，当探头100安装于一表面上，安装件远离该表面而延伸，且圆筒的轴线沿安装轴线B对齐。安装件101的一端部设置安装板102，其安装在探头100所安装的表面上。例如，安装板102可以固定到该表面或者穿过该表面。在本实施例中，由于安装板102与表面对准，所以安装轴线B垂直于安装板102。

支架103包括两个臂104、106。每个臂104、106的一端安装到安装件101的自由端。超声换能器105安装到每个臂104、106的另一端。换能器105沿主轴线A对齐并彼此面对。主轴线A与安装轴线B成一角度。第一臂104平行于安装轴线B而延伸一段短距离，然后臂104弯曲并沿主轴线A延伸一段短距离。换能器105安装在臂104的端部。第二臂106毗邻第一臂104安装。第二臂平行于安装轴线B而延伸一段短距离，然后臂106弯曲并平行于主轴线A延伸。第二臂106延伸得比第一臂104距离安装件还远。远离第二臂106的安装端的一侧，第二臂106形成U形弯，使得安装在第二臂106上的换能器得以面对安装在第一臂104上的换能器。

在固定之前，安装板102可以绕轴线B旋转，以找到轴线A所在的适合于所需测量的流速的角度。

可选地，安装件101的端部可以安装致动系统109。致动系统109控制支架103绕安装轴线B的旋转

安装件101和支架103之间放置部件107。部件107可以是铰接构件，其允许轴线A的角度可相对于轴线B改变。第二致动系统（未示出）工作于部件107上，并控制主轴线A和安装轴线B之间的角度。致动系统受控制模块或计算机（未示出）远程控制。本领域技术人员应当知道如何使用适当的致动系统。

流量探头100可以安装在管道的壁上，例如可以通过将安装件102固定到或穿过壁来实现。管道中流动的流体将经过两换能器105。致动系统用于将主轴线A的角度设置为合适于测量。在本发明的一些实施例中，致动系统在一角度范围内扫描支架，在此期间可以取得许多测量结果。在测量过程中，两换能器105发射并接收反向传播的超声波，然后确定超声波飞行时间，并计算流体流动的期望特性。

尽管已经结合特定实施例描述和阐释本发明，本领域普通技术人员可以理解的是，本发明自身可有并未限于在此具体描述的各种变化。在此仅通过实施例的方式描述一些可能的变化。

虽然上述超声波流量探头包括致动系统，在本发明的一些实施例中，超声波流量探头可以具有固定支架和安装件，而不具有无致动系统。在另一实施例中，超声波流量探头可以包括用于控制换能器间隔的自动致动系统。自动致动系统安装到支架和两超声换能器安装在致动系统上。

在前面的描述中，提到的整体或元件，众所周知它们是显而易见的或可预见的相等物，此类相等物在本文中单独列出。应当参照权利要求书来确定本发明真正的保护范围，并解释为涵盖任何这样的相等物。读者可以理解的是，本发明的整体或特征被描述为优选、有利、方便或类似情况均是可选择，而非用于限制独立权利要求的范围。此外，应该理解的是，这些可选的整体或特征，在本发明的一些实施例中可能有益，但可能不是想要的，并且可能因此在其它实施例中不存在。

Claims (28)

1.一种超声波流量探头，包括：

安装在管道的表面上并由此限定垂直于所述表面的安装轴线的安装件，

安装在所述安装件上的支架，

安装在所述支架上并沿主轴线对齐的多个超声换能器；

其中，所述支架和所述安装件可配置为使得所述主轴线与所述安装轴线成一角度，从而，在使用中，所述超声换能器间传递的超声波以与所述管道中流动的流体成一角度而传送。

2.根据权利要求1的超声波流量探头，其特征在于，所述支架包括两个臂，其中每个臂上安装有超声换能器。

3.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度在大于0度小于90度的范围内。

4.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述支架安装在所述安装件上，使得所述主轴线和所述安装轴线之间的角度可调整。

5.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度可调整为第一角度以允许所述探头插入管道，以及可调整为第二角度以进行测量。

6.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述超声波流量探头包括用于调整所述主轴线和所述安装轴线之间的角度的致动系统。

7.根据权利要求1-3的超声波流量探头，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度固定。

8.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述支架能够绕所述安装轴线旋转。

9.根据权利要求8的超声波流量探头，其特征在于，所述支架绕所述支架的旋转是自动的。

10.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述超声波流量探头包括用于调整所述换能器的间隔的致动系统。

11.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述换能器的间隔可调整为第一间隔以允许所述探头插入到管道，以及可调整为第二间隔以进行测量。

12.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述流量探头包括用于改变所述换能器的间隔的自动致动系统。

13.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度可配置为测量在管道中的流体流动的具体特性。

14.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度可配置为测量流体的速度分布。

15.一种用于监测管道内流体流动的方法，包括：

提供包含沿主轴线对齐的两个超声波换能器的超声波流量探头；

将所述超声波流量探头插入所述管道；

将所述超声波流量探头安装于所述管道的表面；

调整所述探头，使得所述主轴线与安装轴线成一角度，所述安装轴线垂直于所述表面；

通过以下测量所述流体流动的特性：

在所述两个换能器之间反向传播超声波；

确定超声波的飞行时间；

计算根据所述飞行时间的流体流动的特性。

16.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度调整为大于0度小于90度的值。

17.根据权利要求16的方法，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度在所述探头插入所述管道期间为零度，而在测量期间为大于0度小于90度的一个值。

18.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度通过致动系统调整。

19.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，在所述测量之前通过将所述支架绕所述安装轴线旋转来调整所述探头。

20.根据权利要求19的方法，其特征在于，所述支架通过自动旋转系统绕所述安装轴线旋转。

21.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，在所述测量之前通过致动系统调整所述换能器的间隔。

22.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，所述换能器在所述探头插入管道期间处于第一间隔，在所述测量之前被调整为第二位置。

23.根据权利要求21或权利要求22的方法，其特征在于，所述换能器的间隔是通过从所述管道的外部接收输入的自动致动系统来改变。

24.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度被配置为测量所述流体流动的具体特征。

25.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，通过一个角度范围扫描所述主轴线，在所述角度范围内得到一个或多个测量值。

26.根据前述任一权利要求的方法，其特征在于，测量管道中流体的速度分布。

27.一种基本上参考任一附图在此所描述的超声波流量探头。

28.一种基本上参考任一附图在此所描述的监测流体流动的方法。