CN1068429C - 卡式超声容积流量计 - Google Patents

Abstract

本流量计具有第一对超声传感器，其中一个作为发送传感器工作，另一个作为接收传感器，或反之，它们被设置在输送待测流体的管道的外表面，在沿着与管道的轴线平行的方向上相距一定的距离，以使超声波的方向与管道的轴线之间的夹角不等于90°；第二对超声传感器，它们同时作为发送传感器或者接收传感器工作，并被设置在管道的外表面，在沿着管道的轴线平行的方向上相距一定的距离，超声波的方向与管道的轴线之间的夹角小于或等于90°；驱动/测量电路，它们或向第一对超声传感器依次输入短脉冲串，测量超声信号通过流体沿流向和反流向传播并在与所说的超声传感器相对的管道的内表面处反射的超声信号的传输时间，并据此确定容积流量，或者向第二对超声传感器同时输入短脉冲串，使用相关技术，测量由流体中的杂粒反射并由那些超声传感器接收的信号之间的时间差，并据此确定容积流量。

Description

卡式超声容积流量计

本发明涉及一种卡式(clamp-on)超声容积流量计，它包含至少一对超声传感器，一个作为发射器，另一个作为接收器或反之，它们被设置在传送所要测量的流体的管道的外表面并在与管道的轴线平行的方向上相隔一定的距离。

申请人的美国专利5052230公开了一种超声容积流量计，它包含：

沿传送所要测量的流体的管道的外表面相对设置并在沿着管子的轴线方向上相距一定的距离的作为发射器或接收器的两个超声传感器；和

驱动/测量电路，它们

依次向两个超声传感器输入正弦波短脉冲串，测量超声信号从一个超声传感器通过流体向另一个超声传感器沿流向和反流向传播的传播时间，并据此确定容积流量。

JP61-89118U公开了一种超声流量计，其中声波接收诊断装置依据利用传输时间模式进行测量的第一超声传感器的输出信号是否处于正常状态来选择是将利用传输时间模式进行测量的流量信号作为最后的输出信号还是将利用相关法进行测量的流量信号作为最后的输出信号。

WO-A-88/08516公开了一种卡式超声容积流量计，它包括：

两个作为发射器或接收器的超声传感器，它们被相对地沿着输送待测流体的管道设置，在沿着管子的轴线方向上相距一定的距离；

第一附加传感器；

第二附加传感器；

驱动/测量电路，它们

依次向两个超声传感器输入正弦波短脉冲串，测量超声信号从一个超声传感器通过流体向另一个超声传感器沿流向和反流向传播的传播时间，并据此确定容积流量；和

附加电路，它们

在垂直于管道的轴线的方向上，通过第一附加传感器测量管壁中的超声信号的正交传输时间，以及通过第二附加传感器测量穿过流体传输并在管道的与第二附加传感器相对的内表面处反射的超声信号的正交传输时间。

美国专利4484478号和4598593号以及欧洲专利申请EP-A-446023号公开了一种卡式超声容积流量计，它包括：

至少两个作为发射器或接收器的超声传感器，它们被设置在输送待测流体的管道的外表面，在沿着管道的轴线方向上相距一定的距离；和

驱动/测量电路，它们

向至少两个超声传感器同时输入短脉冲串，使用相关技术，测量由流体中的杂粒反射并由至少两个超声传感器在短脉冲串的间隔接收的信号之间的时间差，并据此确定容积流量。

上述美国专利5052230所公开的超声容积流量计以及上述WO-A-88/08516所公开的卡式超声容积流量计仅仅适用于不含有杂粒的流体，当杂粒的含量增加时将无法工作，因为超声在流体中被强烈地散射和/或吸收，以致于到达接收器的强度不够大。

上述美国专利4484478和4598593和EP-A-446023所公开的卡式超声容积流量计仅适用于含有杂粒的流体，但在测量无杂粒的流体时将无法工作。

然而在实际中，不能够排除本应无杂粒的流体中含有杂粒，这将干扰测量甚至使测量无法进行，也不能排除被认为含有杂粒的流体在例外的情况下不含杂粒，这也将干扰测量甚至使测量无法进行。

因此，本发明的目的是将上述两种分别描述的测量原理组合于一种卡式超声容积流量计中，以便流量计根据用户可选择的流体杂粒含量自动地按一种原理或另一种原理工作。

因此，本发明提供了一种卡式超声容积流量计，它包括：

-第一对超声传感器，

——其中一个作为发送传感器工作，另一个作为接收传感器，或反之，或

——两者都在短时间作为发送传感器工作然后作为接收传感器工作，而且

——它们被设置在输送待测流体的管道的外表面，在沿着与管子的轴线方向平行的方向上相距一定的距离，以便它们所产生的超声波的方向与管子的轴线之间的夹角不等于90°；

-第二对超声传感器，它们同时作为发送传感器或者接收传感器工作，并被设置在管道的外表面，在沿着管道的轴线方向上相距一定的距离，以便它们所产生的超声波的方向与管道的轴线之间的夹角小于或等于90°；和

-驱动/测量电路，它们

向第一对超声传感器中的一个或两个输入短脉冲串，测量通过流体在所述的超声传感器之间沿流向和反流向传播并在与所说的超声传感器相对的管道的内表面处反射的超声信号的传输时间，并据此确定容积流量(=传输时间电路)，或者

向第二对超声传感器同时输入短脉冲串，使用相关技术，测量由流体中的杂粒反射并由所述超声传感器在短脉冲串的间隔接收的信号之间的时间差，并据此确定容积流量(=相关电路)，并且

包括一个带有阈值开关的转换电路

——它根据阈值开关的输出将驱动/测量电路转换到传输时间模式或相关模式，

——所说的阈值开关被输入一个可调阈值信号和一个变化信号，后一信号由处于接收状态的第一对超声传感器之一输出并经过积分的信号形成。

在本发明的一个优选实施例中，第一对的一个超声传感器和第二对的一个超声传感器以及第一和第二对的相应另一超声传感器被组合在一起，组成一对复合超声传感器。

在本发明的另一个优选实施例中，设置了一个附加的超声传感器和附加的电路，

——其在垂直于管道的轴线的方向上，测量超声信号在管壁中的正交传输时间，以及穿过流体传播并在与附加的超声传感器相对的管道的内表面上反射的超声信号的正交传输时间，

——其被输入一个与管道的外圆周成比例的圆周信号，以及一个与管道材料的声速成比例的声速信号，

——其由两个正交传输时间、圆周信号和声速信号确定管道的壁厚和流体中的声速。

根据本发明的其他优选方面，变化信号是一个均方根单元的输出信号或一个整流器的输出信号或一个峰-峰检波器的输出信号。

以下参照附图进一步详细解释本发明，所说的附图示意性地表示出机械部分和电路的方框图，以便解释本发明的原理，其中相同的部分用相同的标号表示。

图1是一个卡式超声容积流量计的机械部分的示意性剖面图。

图2是图1所示的卡式超声容积流量计的进一步改进的机械部分的剖面视图；

图3表示图1所示装置的一部分以及控制本发明的卡式超声容积流量计的电路的详细方框图。

图4表示图2所示装置的一部分以及控制电路的主要功能方框图。

参考图1，它是卡式超声容积流量计的机械部分的示意性剖面图，第一对超声传感器2,3被设置在管道1的外表面，待测流体穿过管道1向箭头R方向流动。超声传感器2,3在与管道的轴线方向平行的方向上相隔一定的距离。这一对超声传感器可以以两种方式工作。第一，两个超声传感器可以交替地作为发送传感器和接收传感器，或者超声传感器2作为发送传感器而超声传感器3作为接收传感器，或者超声传感器3作为发送传感器而超声传感器2作为接收传感器。因此，测量依次在流体流动的方向上和反方向上进行。第二，两个超声传感器2,3可以在短时间内均作为发送传感器，随后均作为接收传感器，从而可以同时进行流体流动的方向上和反方向上的测量。

第二对超声传感器4,5，均同时作为发送传感器或者接收传感器，它们也被设置在管道的外壁，在与管道的轴线方向平行的方向上相隔一定的距离，但是它们产生的超声波的方向与管道的轴线之间的夹角是90°。

在第一对超声传感器2,3的情形，该角度不等于90°，因为传感器为楔形，其中相应的楔角的张角(apertures)相对。楔形结构的获得是通过在管道1和相应的超声发生器21,31之间设置一个声导材料的楔。

如图1中的超声束所表示的，超声传感器2,3的楔形结构导致(例如)超声传感器2所发出的超声以不同于90°的角度投射到与超声传感器2,3相对的管道内表面上，并从那里反射回超声传感器3。超声传感器2,3之间的距离S应选择使得管道1的内表面反射的超声尽可能全部返回到接收超声传感器。

在第二对超声传感器4,5的情形，上述90°的角度是通过在相应的超声发生器41,51和管道1的外表面间不设置楔形结构获得的。其结果是，超声沿着实际上与管道1的轴线方向垂直和正交的方向穿过流体传播，并且在管道的相对内表面处被反射到发送传感器。

图2按照与图1类似的表示方法表示一个图1的装置的改进形式。第一对的一个超声传感器和第二对的一个超声传感器，即传感器2,4，以及两对中的其他传感器，即传感器3,5，被结合成一对复合超声传感器6,7，复合超声传感器6包括楔形传感器2′和非楔形传感器4′，复合超声传感器7包括楔形传感器3′和非楔形传感器5′。

图2还示出一个附加的非楔形超声传感器8，与其它超声传感器相同，该传感器8也安装在管道的外表面，其超声在垂直于管道1的轴线的方向上穿过流体传播并在此管道的相对内表面处反射回该传感器。

图2还表示出重要的距离，即管道1的壁厚d、管道的内径D和超声传感器4′和5′之间的中心至中心距离，后者同样决定了超声传感器2′,3′之间的距离。

图3表示图1的装置的机械部分以及驱动/测量电路的主要功能方框图。一个短脉冲发生器产生短脉冲串，即一个处于具有可预定的占空比v的实际上为方波的包络之中的可选择数量n(n≥1)的高频脉冲。高频脉冲的频率fb在1MHz的量级，例如，如果方波包络脉冲的脉宽为10us，则n=10的1MHz脉冲将适合这些脉冲的每一个。短脉冲发生器9在其占空比v和频率fb方面的可调整性是由脉冲发生器9的相应标示输入表示的。

短脉冲发生器9的输出被输入到一个四路开关10，如美国专利5052230所述，该开关使得超声传感器2,3交替地作为发送传感器和接收传感器工作，其转换受传输时间电路11的控制，如美国专利5052230所述。

在这种工作模式中，传输时间电路11依次向第一对的超声传感器2和3输入短脉冲串，测量通过流体从超声传感器2向超声传感器3沿流向和从超声传感器3向超声传感器2沿反流向传播并在与所说的超声传感器2,3相对的管道1的内表面处反射的超声信号的传输时间，并据此确定容积流量。

在上述的另一模式中，传输时间电路11在短时间内向两个超声传感器2,3输入短脉冲串，从而这两个传感器同时工作在发送传感器状态。接下来，当超声传感器2,3作为接收传感器工作时，传输时间电路11测量通过流体从超声传感器2向超声传感器3沿流向和从超声传感器3向超声传感器2沿反流向传播并在与所说的超声传感器2,3相对的管道1的内表面处反射的超声信号的传输时间，并据此确定容积流量。

因此，在两种模式下，传输时间电路11在其输出端111，输出一个代表容积流量(flow rate)的信号，例如出现在显示器的一个指示和/或一个适宜的电子信号，例如在预定的测量量程内，4mA至20mA的电流信号。

图3的转换电路13包括一个电子开关130，它的控制输入与阈值开关131的输出相连接。后者被输入一个决定其开关阈值的用户可调的阈值信号th和一个变化信号rms。该信号在均方根单元132中由处于接收模式的第一对超声传感器2,3中的一个所给出并经由一个积分器133例如一个采样和保持单元积分后的信号形成，积分器133的输入与四路开关10的输出之一相连接。

除使用一个均方根单元132之外，为获得变化信号，也可使用一个整流器或者一个峰-峰检波器。

相关电路12的一个输入与短脉冲发生器9的输出相连，从而第二对超声传感器4,5被同时输入短脉冲串。相关电路12采用相关技术特别是互相关技术，测量由流体中的杂粒反射并由第二对超声传感器4,5在短脉冲的间隔内所接收的信号之间的时间差，如上述美国专利4484478中所述，并据此确定容积流量。

利用阈值信号th，用户能够预设置或选择从传输时间测量到相关测量的转换发生时流体中的杂粒含量。

相关电路12因此在其输出端121-正如传输时间电路11在其输出端111一样-输出一个代表容积流量的信号，例如出现在显示器的一个指示和/或一个适宜的电子信号，例如在预定的测量量程内，4mA至20mA的电流信号。

转换电路13的电子开关130启通传输时间电路11或者相关电路12，从而将驱动器和测量电路置于传输时间模式或者相关模式。

图4表示图2所示装置的一部分，以及驱动/测量电路的主要功能方框图。方框图包括传输时间电路11′、相关电路12′、转换电路13′和附加电路14′。为简化说明，传输时间电路11′包括图3所示的短脉冲发生器9和四路开关。

附加电路14用于确定流体中的声速以及(例如)当管道已经被安装在一个封闭的系统中时真实管道1的内径D和壁厚d，后两个参数在这种时刻不打开管道已经无法测量。

上述确定可以利用附加的卡式超声传感器8实现，响应于其上施加的短脉冲串，卡式超声传感器8发射一束与管道1的轴线相垂直的超声信号，并在发射的间隔接收反射的信号，即由直接位于传感器之下的管子内表面反射的信号和与传感器相对的、被流体隔离的内表面反射的信号。作为附加的超声传感器8的替代，可以使用第二对超声传感器中的一个与附加电路相结合。

附加电路14因此测量在管壁中的超声信号的正交传输时间以及通过流体传播并在与附加的超声传感器8相对的管道的内表面处反射的超声信号的正交传输时间。

由于实际管道的材料及该材料的声速是已知的，实际管道的圆周可以现场测量，与这些参数成比例的信号，即声速信号c和圆周信号u，可以施加到附加电路14相应输入端。

附加电路14根据两个正交传输时间、声速信号c和圆周信号u测定壁厚d，并(例如)将壁厚值显示在显示器上。然后这个值在当将第一对超声传感器2,3夹上时选择距离s时计入。在显示器上显示的还有流体中的声速。

根据本发明的卡式超声容积流量计适用于雷诺数大于10000时的测量，特别是在标称管径大于200mm的管中的测量。

Claims (6)

1．一种卡式超声容积流量计，包括：

第一对超声传感器，其中一个作为发送传感器工作，另一个作为接收传感器工作，它们被设置在输送待测流体的管道的外表面，在沿着与管道的轴线方向平行的方向上相距一定的距离，使得它得所产生的超声波的方向与管子的轴线之间的夹角不等于90°；

第二对超声传感器，它们同时作为发送传感器或者接收传感器工作，并被设置在管道的外表面，在沿着管道的轴线方向上相距一定的距离，使得它们所产生的超声波的方向与管道的轴线之间的夹角等于90°；

驱动/测量电路，它们利用第一对超声传感器，采用传输时间来确定容积流量；利用第二对超声传感器采用相关技术确定容积流量；

其特征在于，

所述第一对超声传感器或者都在短时间作为发送传感器工作然后作为接收传感器工作；

所述驱动/测量电路，向所述第一对超声传感器中的一个或两个提供短脉冲串，测量通过流体在所述超声传感器之间沿流向和反流向传播并在与所说的超声传感器相对的管道的内表面处反射的超声信号的传输时间，并据此确定容积流量-此处称为传输时间电路，或者向所述第二对超声传感器同时提供短脉冲串，使用相关技术，测量由流体中的杂粒反射并由所述超声传感器在短脉冲串的间隔中接收的信号之间的时间差，并据此确定容积流量-此处称为相关电路，

所述驱动/测量电路进一步包括一个带有阈值开关的转换电路，该电路根据阈值开关的输出将所述驱动/测量电路转换到传输时间模式或相关模式，所说的阈值开关被输入一个可调阈值信号和一个变化信号，后一信号由处于接收状态的第一对超声传感器之一输出并经过积分的信号形成。

2．根据权利要求1所述的卡式超声容积流量计，其中第一对的一个超声传感器和第二对的一个超声传感器以及第一和第二对的相应另一超声传感器被组合在一起，组成一对复合超声传感器。

3．根据权利要求1所述的卡式超声容积流量计，它包括一个附加超声传感器和附加电路，它们

在垂直于管道的轴线的方向上，测量超声信号在管壁中的正交传输时间，以及穿过流体传播并在与附加的超声传感器相对的管道的内表面上反射的超声信号的正交传输时间；

被输入一个与管道的外圆周成比例的圆周信号，以及一个与管道材料的声速成比例的声速信号；并且

由两个正交传输时间、圆周信号和声速信号确定管道的壁厚和流体中的声速。

4．根据权利要求1所述的卡式超声容积流量计，其中变化信号是一个均方根单元的输出信号。

5．根据权利要求1所述的卡式超声容积流量计，其中变化信号是一个整流器的输出信号。

6．根据权利要求1所述的卡式超声容积流量计，其中变化信号是一个峰-峰检波器的输出信号。

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