CN1083102C - 一种用于测定管中液体流率的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于测定管中液体流率的装置，包括在通过液体的斜向路径上提供声能量的供应装置、在通过液体的径向路径上提供声能量的供应装置、以及根据该斜向、径向供应装置的声能量来测定管中的液体的流率的装置。在一个实施例中，斜向供应装置固定地设置在管上。另一个实施例中，径向供应装置提供在径向路径上双向发送的声能量。径向供应装置最好包括关于管子径向相对设置的一个第一换能器和一个第二换能器。斜向供应装置最好包括互相斜向相对设置于上、下游位置的一个第三换能器和一个第四换能器。

Description

一种用于测定管中液体流率的装置
本发明一般地涉及流量计，更具体地，本发明涉及采用超声波换能器的流量计，用于对管中的液体特性(例如液体流率)进行非侵入性的测量。
测量液体流动的公知与常用的装置是采用超声波流量计。通常这是由一个系统来完成，其中有两个换能器按照一定的角度互相相对地设于上、下游处，可交替地作为发送器与接收器，藉此使超声波信号在换能器之间交替地按上、下游方向传送。上游信号与下游信号之间的经过时间的差异可用来计算液体的流率。
法国专利FR2061959所全部公开的是其主要的、也是唯一被允许的教导，其中要求换能器3、2、17和16穿过管壁以便使声能量直接耦合至管1中的液体。该文件特别避开了管壁，使得声能量不是沿通过管壁的路径通连对于确定其管内的液体的流动和操作是不需要本发明所揭示的复杂的方程式的。
美国专利US4462261中并没有关于将换能器设置在管的外部以便使声能量在该处沿通过管壁的路径通过的教导或者建议。该文件在其图1中具体地示出，各种换能器20-27穿过管壁并接触管子内部以便使声能量不沿通过管壁的路径通过。由通过各换能器中心的环型清楚地示出了这一点，其中环型代表管子的内表面。此外，在该文件中，完全没有关于通过管壁的能量路径本身的任何教导或建议。具体而言，该文件指出，在两个阵列中，各换能器20-27都与每一个另外的换能器进行“对话”，对于沿箭头50的方向移动的液体的不断增加的容量提供多个通道。该文件特别说明，换能器是通过液体而进行“对话”的，但对于管子则只字未提。见该文件第2栏的第53-58行。再有，该文件在其第1栏的第11行指出，换能器是处于流动的液体之中的。
美国专利US4024760没有说明换能器设置在管子外部的情况。另外，也没有说明通过管子的横跨路径或称为径向路径。参见该文件的图1和其第2栏的第14-57行。举例来说，该文件的第2栏的第51行指出，管子必须钻孔以便安放换能器。
在国际专利公开W0 88/08516中，“Vc＝液体声速(liquid soundvelocity)”(见该文件第9页的等式6)，并且“C是液体中超声波传播的速率”(见该文件第8页的第1和2行)。因此，在WO88/08516中用来确定不同的量的这两个项并不相等。而在本发明中，这两个项是相等的而且必须相等。换言之，WO 88/08516并未考虑任何有关确定液体中的声速的问题。在WO 88/08516中，Vc项并未定义并且是不等于C的。
在美国专利US3738169中，可以看到，有关等式只考虑能量在内壁之间传播的情况，并没有考虑壁的厚度或壁的折射效应。该文件并没有如本发明的权利要求所述，允许将换能器设置在管子的外部，并且声能量沿通过管壁的路径而通过。该文件代表着典型的现有技术，即其换能器穿过管壁，能量直接耦合至管内，因而不必考虑管壁的影响。
美国专利US4015470教导一种仅采用3个不同的换能器的系统，与本发明的4个不同的换能器不同，它体现着一种完全不同的控制系统的类型，只是允许多个别的不同之处。
本发明在一个最佳实施例中提供设置为径向相对的第二组换能器。这些“横跨路径”换能器可提供较多有关流体场的信息，以利于改进流体测量上的准确性及对流体场的认识。
本发明是一种用于测定管中液体流率的装置。本装置包括用于在管内液体的一个斜向路径上提供声能量的装置。该斜向供应装置与管接触。本装置还包括用于在管内液体的一个径向路径上提供声能量的装置。该径向供应装置与管接触。本装置还包括根据该斜向、径向供应装置的声能量来测定管中液体流动的装置。
在一个实施例中，斜向供应装置固定地设置于管上，在另一个实施例中，径向供应装置提供在径向路径上双向发送的声能量，斜向供应装置最好包括根据管的径向相对位置而设置的一个第一换能器和一个第二换能器。该第一、第二换能器可交替地作为发送器及接收器，以令超声波信号沿径向路径穿过液体。
斜向供应装置最好包括互相斜向相对地设置在上、下游位置的一个第三换能器和一个第四换能器。该第三、第四换能器可交替地作为发送器及接收器，使超声波信号交替地在上、下游方向沿该第三、第四换能器之间的斜向路径通过液体。径向路径邻近斜向路径，使换能器可在液体的相同部分取样。
测定装置最好包括信号处理装置，用于根据第一和第二换能器之间与第三和第四换能器之间传送的超声波信号的传送速度来测定管中的液体流率。
本发明的最佳实施例以及实施本发明的最佳方法皆揭示于各附图之中，其中，
图1是示出一个用于测定管中液体流率的装置的示意图。
图2是示出与该用于测定管中液体流率的装置相关的几何参数的示意图。
图3是示出该用于测定管中液体流率的装置的信号处理装置的示意图。
图4是示出该用于测定管中液体流率的装置具有四条超声波路径的示意图。
图5是示出该用于测定管中液体流率的装置采用一个弹跳路径的示意图。
图6是示出该用于测定管中液体流率的装置采用的换能器是设置在管子表面的下方的示意图。
图7是示出一个用于测定轴向横向速度分布的装置的示意图。
图8是示出一个用于测定管中液体流动率装置采用三个换能器的示意图。
图9是一个管子的横向速度分布图。
参见各附图，图中相同的参考编号是指类似的或相同的元件。图1、2示出一种用于测定液体11在管12中的流率的装置10。装置10包括用于在液体11通过的斜向路径24上提供声能量的装置。该斜向供应装置与管12有声的接触并且最好设置在管12上。装置10还包括用于在液体11通过的径向路径18上提供声能量的装置。该径向供应装置与管12有声的接触并且最好设置在管12上。装置10还包括用于根据斜向供应装置的声能量和径向供应装置的声能量来测定液体11在管12中的流率的装置。在一个实施例中，斜向供应装置设置在管12上。在另一个实施例中，径向供应装置则在径向路径18上提供双向发送的声能量。
参见图1，径向供应装置最好包括径向地相对设置的一个第一换能器14和一个第二换能器16。该第一换能器14和第二换能器16最好适于可交替地作为发送器与接收器，以便产生超声波信号，从而在上、下游处沿第一换能器14和第二换能器16之间的径向路径18交替地通过液体11。
斜向供应装置最好包括在管12外的相互斜对设置的第三换能器20和第四换能器22。该第三换能器20和第四换能器22最好适于可交替地作为发送器与接收器，以便产生超声波信号，沿斜向路径24通过液体11。径向路径18邻近于斜向路径24，使得换能器对液体11的基本相同的部分取样。
测定装置最好包括信号处理装置26，用于分别根据第一和第二换能器14、16之间与第三和第四换能器20、22之间传送的超声波信号的传送速度来测定液体11在管12中的流率。
换能器14、16、20和22最好都安装在管12的外侧，从而不会干扰管中的液体流动。第三和第四换能器20、22与管12之间的耦合最好是通过将第三和第四换能器20、22安装到一个耦合楔(coupling wedge)28上来达到，该耦合楔例如可由树脂或合成树脂构成。第一和第二换能器14、16安装在一个垫片30上，它亦可由树脂或合成树脂构成。耦合楔28、垫片30与管12之间的耦合可通过提供一个薄层32(例如为矽胶)而增强。该薄层32有助于避免超声波信号从耦合楔28或垫片30运行至管12时发生分解或分散。信号处理装置26最好包括用于测量超声波信号分别在第一和第二换能器14、16之间与第三和第四换能器20、22之间传送的经过时间的装置。
在一个最佳实施例中，具有多组斜向换能器，用于沿多个斜向路径24将超声波信号传过液体11，并具有相等组数的径向换能器，用于沿多个径向路径18将超声波信号传过液体11。图4示出一个通过管12轴线的截面，其中呈现出一个四路径系统。由于图4是一个截面图，所示的换能器可为斜向组或径向组，同样，所示的四个路径可为斜向路径24或径向路径18。
应该注意到，在图2和本说明书中采用以下的术语：
Q      ＝    管12中的总流量(立方英尺/秒)
п     ＝    Pi＝3.141593
ID     ＝    管12的内径(英寸)
PF     ＝    液压分布因数(hydraulic profile factor)＝整个管12的平均速度与径向平均速度的比率
Cr    ＝    声音在液体11中的速度(英寸/秒)
φr   ＝    声路径在液体11中的角度
td1    ＝    由换能器14至换能器16沿斜向路径24的经过时间
td2   ＝    由换能器16至换能器14沿斜向路径24的经过时间
Δtd  ＝    沿斜向路径24的时间差(秒)
即Δtd＝td1-td2
tc1是由换能器20至换能器22的经过时间
tc2是由横跨路径换能器22至换能器20的经过时间
Δtc＝是沿径向横跨路径18的时间差(秒)
即Δtc＝tc1-tc2
Cw    ＝    在换能器楔28与垫片30中的声速(英寸/秒)
φwo  ＝    机械楔28角度
aw    ＝    楔的高度(英寸)
awc   ＝    垫片30的高度
ap    ＝    管12的壁厚(英寸)
φp   ＝    管12中的声路径角度
φw   ＝    楔28中的声路径角度
Cpt    ＝    管12中的横波速度(英寸/秒)
Cpl    ＝    管12中的纵波速度(英寸/秒)
td    ＝    沿斜向路径24的平均经过时间(秒)
即td＝(td1+td2)/2
tc    ＝    沿径向路径18的平均经过时间(秒)
即tc＝(tc1+tc2)/2
y是换能器14、16的中心距离
yo是y用于初始建立时的计算值
temp  ＝    华氏温度F
press ＝    绝对压力psi
press ＝    压力计+14.7
tr、vt、dvdp、tc是用于水中的声速计算的参数
Acpl、Bcpl、Acpt、Bcpt是用于管中声速计算的常数(根据管材料而定)
Acw、Bcw、Ccw是用于楔中声速计算的常数(根据楔材料而定)
液体流率Q计算如下：
Q＝(п·ID2·PF/4)·V1因为
V1＝Vd/Sinφf-Vc/Tanφf且
Vd＝(Cf 2·Cosφf/2·ID)·(Δtd)
Vc＝(Cf 2/2·ID)·(Δtc)                       (0)因此
V1＝(Cf 2/2·ID·tanφf)·(Δtd-Δtc)代入原方程式，
Q＝(п·ID·PF·Cf 2/8·Tanφf)·(Δtd-Δtc)    (1)
对于声音路径与发送器长度的比值小于16∶1，φf即用史耐尔(Snells)定律关系计算如下：
φf＝Sin-1(Cfsinφw/Cw)
对于声音路径与发送器长度的比值大于100∶1，φf的计算可由以下同时进行的方程式解答得出：
td＝2·aw/Cosφw·Cw+2·ap/Cosφp·Cpt+ID/Cosφf·Cf    (2)
Sinφf/Cf＝Sinφp/Cpt   (史耐尔定律)                    (3)
Sinφf/Cf＝Sinφw/Cw    (史耐尔定律)                    (4)
理想情况下，声音路径与发送器长度的比值应选择得清楚地处于这些区域的其中之一内。另外，如果无法达到如此的话，则沿管12轴向地移动第四换能器，使之处于由第三换能器20传送至第四换能器22的信号为最大值之处。在此点上，可使用任一组上面的方程式。
若y已知，则φf可由以下方程式组解得：
Y＝2·aw·Tanφw+2·ap·Tanφp+ID·Tanφf
Sinφf/Cf＝Sinφp/Cpt    (史耐尔定律)及
Sinφf/Cf＝Sinφw/Cw    (史耐尔定律)Y0的计算：
Sinφr＝Cf·Sinφwo/Cw    (史耐尔定律)
Sinφp＝Cpt·Sinφwo/Cw    (史耐尔定律)
Y0＝2·aw·Tanφw+2·ap·Tanφp+ID·TanφfCf的计算可由下式得到：
tc＝ID/Cf+2·ap/Cpl+2·awc/Cw    (5)
声速值是根据温度而定的。tc是测自第一换能器14和第二换能器16之间的径向路径18。Cpt、Cpl及Cw则由下式决定：
Cpl＝Acpt×(1+Bcpt×temp)    (6)
Cp1＝Acpt×(1+Bcpt×temp)    (7)
Cw＝Acw×(1+Bcw×temp+Ccw×temp^2)    (8)
ID、ap及awc可由装置的具体的应用而得知(测得)。
由于Cf可自方程式(5)得出，td可测自第三换能器20和第四换能器22之间的斜向路径24，而aw、Cw及ap、Cpt、ID是已知的，则由例如三个方程式(2)-(4)的解可以确定三个未知数φw、φp和φf。因此，由于方程式(1)中的各变量现为已知，Q便可确定。
例如，对于碳钢管12，
Acpl  ＝2356000
Vcpl  ＝.0000735
Acpt  ＝127700
Vcpt  ＝.0000925
对于树脂楔28，
Acw  ＝98299
Bcw  ＝.0003960
Ccw  ＝2.08E-7
为了计算在高于200°F水温中的Cf：
tr＝temp-175.1                                     (9)
vt＝5290.52-.15302×tr-.0138265×tr^2+3.326E-6
    ×tr^3+3.11042×tr^4-5.1131E-11×tr^5          (10)
dvdp＝756.78/(725-temp)+6.3846-.034241
    ×(725-temp)+7.4075-5×(725-temp)^2
    -5.666E-8×(725-temp)×3                       (11)
vtp＝vt-(4437-press)×dvdp×.02253                 (12)
Cf＝vtp×12                                        (13)
为了计算在低于200°F水温中的Cf：
tc＝(temp-32)/1.8                                  (14)
Cf＝100/2.54×(1402.49+5.0511×tc-.05693×tc^2
    +2.7633E-4×tc^3-&.1558E-7tc^4)
上列各方程式是假定楔28、管12及液体11都处于相同的温度。当液体11的温度不同于环境温度时，需要采取绝热或其他措施以确保温度均匀，或者修正上列方程式以纠正这些差别。对于小的梯度而言，是足以容许楔与管有不同的温度，于是
temp(管)＝temp(液体)-Δtp
temp(楔)＝temp(液体)-Δtw
temp(横跨楔)＝temp(液体)-Δtwc
其中
Δto是液体温度与楔平均温度的差
Δtwc是液体温度与横跨楔或垫片平均温度的差
Δtp是液体温度与管平均温度的差
对于大的梯度而言，需要具有管和楔中的温度分布的详细数据，并采用光学仪器设计时采用的光线跟踪技术来计算在楔和管中耗费的时间，以及管和楔对y的位移的影响。
如果液体温度是未知的，如附录中的程序中的“REM Calculation ofF1uid Temperature”部分所示，则Cf及水温可采用相互作用循环技术(inteactive loop technique)按已知的水温限制来取一个水温值，利用此温度得出Cf、Cwc及Cpl值，并将它们代入方程式(5)中以得出tc的计算值。再以实际测得值tc与计算值tc作比较。
若tc计算值与tc测量值不符，则不同的温度值可依序于程序中得到，并且该循环作反覆运算直到tc计算值符合于tc测量值。在最后一个循环期间内所得的温度与Cf计算值于是可知，从而将其作为温度与Cf的实际值。
以此方式，借助安装一对在管12径向地相对的超声波换能器、并采用信号处理装置以测定tc测量值，可以确定液体中的声速、Cf及在管12中流动的液体11的温度。
在本发明的操作中，换能器14、16、20和22最好是捷联(strap-on)型的。捷联型换能器组件包括一个光电换能器、一个耦合楔28或垫片30及一个保护盖。换能器将电能转变为由耦合楔28和垫片30以适当的角度送进管12内的超声波能量。保护盖可提供用于换能器电缆36的接头并保护换能器。
在将换能器准确地定位在管12的表面上之后，使换能器楔与管壁之间建立声耦合，再以带状材料、磁性固定件或熔接的支架将其固定。
换能器的信号电缆为扭绞的屏蔽双股线，带有一个屏蔽层，当在水下或地面上使用时需要有另一个适当的保护套。其一端连接至换能器，另一端连接至信号处理装置26，通常并无接头。
信号处理装置26包括三个主功能单元，即声处理单元100(APU)、中央处理单元102(CPU)及控制和显示面板104(CDP)。图3所示为这些电路的功能示意图。
APU 100控制各换能器之间发送和接收的超声波信号。电脉冲产生后送至换能器，在换能器处将电能转换为超声波并且根据由哪一个换能器发送、逆转换为电脉冲、以及接收等动作而被直接送入管中的上游或下游。脉冲的发送时间交替地在上、下游处通过一个100兆赫时钟按每4毫秒而进行测量，以确保对于上、下游发送时间来说有关数据基本上是同时的。这些时间测量值被存储，然后被送至中央处理单元102，用于数学运算。
APU 100通常备有两个发送器/接收器电路板，用于控制总共四个超声波斜向路径24。另外，有两个发送器/接收器电路板，用于控制四个超声波径向路径18。
CPU 102包括一个286微处理器和I/O接口，安装有适于特定用途需要的软件。CPU 102具有若干重要的功能，包括处理来自APU 100的发送时间测量值。根据尤勒(Eluer)方程式更新流量总计。在进行高速计算的同时，显示也被更新，电子校验由整个APU 100电路完成，随后是使用者键盘指令，并且输出也被更新。
CDP 104的功能是用作使用者接口。一个全屏幕显示器106可提供流率、总流量、诊断、设置参数及密切相关的性能特征的读出数据。一个数字键盘108可供操作者选择所需的显示屏内容，而无需查阅程序手册，无需连接另外一部计算机。
以下的表1至3所列的是二个校验部门的计算过的参数的汇集。这些校验部门为Alden Research Laboratories(ARL)和Tennessee Val leyAuthority(TVA)Sequoyah Nuclear Power Plant。ARL的测试采用的是一个16英寸外径的管，液体温度约105°F。(以下所示数据存档于ARL，它是一家经过NIST检验合格的工厂)。TVA的测试采用的是一个32英寸外径的管，液体温度约435°F。独立的误差分析确定其精度为被测的流率的±0.9％。
表1：ARL的流量计算12/18/91(1991年12月18日)
条件：
ID    ＝    15.028英寸(直接测量)
压力  ＝    50psi
ap    ＝    .495英寸(直接测量)
temp  ＝    105.32°(ARL参考)
Q     ＝    18,390gpm(ARL参考)
Cw   ＝    92,170英寸/秒(直接测量)
φwc  ＝    30.550
Cpl   ＝    233,774英寸/秒(符合于公布值的曲线)
awc   ＝    .25英寸
Cpt   ＝    125,454英寸/秒(符合于公布值的曲线)
aw    ＝    .586英寸
LEFM测量值：
td1   ＝    291.86微秒
td2   ＝    290.66微秒
td1   ＝    241.45微秒
tc2   ＝    241.45微秒
Δtd  ＝    1218纳秒
tc    ＝    241.45微秒
Δtc  ＝    -4纳秒
td    ＝    291.26微秒
LEFM计算值：
Cf    ＝    60,260英寸/秒
temp   ＝    105°
Q      ＝    18,488gpm
φf   ＝    19.4°
φw   ＝    30.53°
φp   ＝    43.75°
y      ＝    6.92英寸
y0(计算后)＝6.92英寸
表2：ARL的流量计算12/18/91(1991年12月18日)
条件：
ID    ＝    15.028英寸(直接测量)
ap   ＝    .495英寸(直接测量)
temp  ＝    105.19°(ARL参考)
Q     ＝    13,430gpm(ARL参考)
Cw    ＝    92,170in/英寸/秒(直接测量)
Cpl   ＝    233,774英寸/秒(符合于公布值的曲线)
Cpt   ＝    125,454英寸/秒(符合于公布值的曲线)
LEFM测量值：
td   ＝    291.26微秒
tc   ＝    241.45微秒
Δtd ＝    890纳秒
Δtc ＝    -3纳秒
LEFM计算值：
Cf   ＝    60,260英寸/秒
temp  ＝    105°
Q     ＝    13,480gpm
φr  ＝    19.4°
表3：TVA Sequoyah的流量计算2/6/92(1992年2月6日)
条件：
ID    ＝    29.92英寸(直接测量)
ap   ＝    1.194英寸(直接测量)
temp  ＝    428°(TVA RTD测量)
Cw   ＝    82,750英寸/秒(直接测量且符合于曲线)
Cpl  ＝    223,466英寸/秒(符合于公布值的曲线)
Cpt  ＝    124,322英寸/秒(符合于公布值的曲线)
LEFM测量值：
td   ＝    670.32微秒
tc   ＝    612.22微秒
Δtd ＝    1413纳秒
Δtc ＝    1纳秒
LEFM计算值：
Cf   ＝    50,386英寸/秒
temp  ＝    428.8°
Q      ＝    13,518百万磅/时
φf   ＝    19.4°
在另一个实施例中，如图5所示，第三换能器20和第四换能器22是互相对准的，使得由第三换能器20发送的声能量可按一个斜向路径到达第四换能器22，该路径是因管12对声能量的反射而形成的。如图5所示，这种装置10的结构是公知的弹跳路径结构。建立径向路径18的第一换能器14和第二换能器16设置得邻近形成该弹跳路径的斜向路径24，或者是位于第三换能器20和第四换能器22之间，或者是位于第三换能器20或第四换能器22的外侧。用于说明上述情况的方程式亦适用于测定图5的弹跳路径结构中的流率。这种结构的一个例子如下：
Q      ＝    472gpm
ID     ＝    27.25英寸
PF     ＝    1.00
Cf    ＝    47,275.7英寸
φp   ＝    18.35°
td1   ＝    385.180微秒
td2   ＝    385.000微秒
Δtd  ＝    180纳秒
tc1   ＝    179.008微秒
tc2   ＝    179.000微秒
Δtc  ＝    8纳秒
Cw    ＝    92,046.09英寸/秒
φwo  ＝    38.52°
aw    ＝    0.642英寸
awc   ＝    0.250英寸
ap    ＝    0.350英寸
φp   ＝    57.74°
φw   ＝    37.80°
Cpt   ＝    126,989.7英寸/秒
Ppl   ＝    231,992.8
td    ＝    385.090微秒
tc    ＝    179.004微秒
y      ＝    7.5
y0    ＝    7.423
temp   ＝    74°F
压力   ＝    775psi
条件：
管ID   ＝    7.9529英寸
ap    ＝    0.3605英寸
temp   ＝    74°
Cpl    ＝    231,945.8英寸/秒(取自表中)
Cpt   ＝    126,956.3英寸/秒(取自表中)
Cw    ＝    91,987.1英寸/秒(直接测量)
LEMF测量值：
td    ＝    386微秒
tc    ＝    180微秒
Δtd  ＝    177纳秒
Δtc  ＝    8纳秒
LEMF计算值
Cf    ＝    47,001.3英寸/秒 (φw＝37.18°)
Q      ＝    468gpm(φp＝56.51°)
φf   ＝    17.98°
在图6所示的另一个实施例中，管12具有一个外表面27及一个内部29，第一换能器14和第二换能器16设置在管12的外表面27的下方，使得第一换能器14发送的声能量可被引入管12的内部29，第二换能器16直接从管12的内部29接收声能量，如图6所示。于是，形成了径向路径18，而并没有声能量(最好是超声波能量)直接通过管12。第三换能器20和第四换能器22最好设置在管12的外表面27的下方，使第三换能器20发送的声能量可被直接地引入管的内部29，声能量在通过斜向路径24之后，由第四换能器22直接从管12的内部29接收。当然，第三换能器20和第四换能器22可如上述那样设置在管12的外表面27上，或者，将各换能器可按设计上的选择而设置在外表面27上或其下方，使得仅一个、三个换能器等设置在外表面27的上或其下方。用于与图6所示的实施例的流率和其他相关因数的计算相关的算法可参见Caldon技术报告DS-112-991(作为参考)，它是关于形成一个斜向超声波路径的单一一对换能器的。对于形成径向超声波路径(即，角θ＝90°，Cosθ＝1)的换能器对，得到横向流动速度V。对于一个四路径的结构而言，可参阅Caldon技术报告DS-116-392(作为参考)。在管12的外表面27的下方设置换能器是众所周知的。可见于Caldon技术报告安装程序SP1041 Rev.C，在此作为参考。
本发明还提供一种用于建立管12中的液体流动的横向速度分布的装置。该装置包括用于通过将能量引入管12中并分析该能量从而在管12中的多个不同的位置获取液体的横向速度的装置。该获装置最好包括用于沿管12中的多个径向路径提供声能量的供应装置，全部装置都在管12的一个共同的截面上，并产生一个对应于多个不同的位置的横向速度的信息信号。该供应装置可以是多个换能器，它们在管12中建立多个径向路径18，如图4所示。每一个径向路径18识别出与管12中的一个相应的位置相关的横向速度分量。对应于每一个径向路径18的横向速度可由方程式(0)决定。
该装置还包括用于由多个不同的位置的横向速度形成横向速度分布的装置。该形成装置与获取装置相连通。该形成装置最好包括信号处理装置26。信号处理装置26接收信息信号并确定与各位置相关的横向速度。构成径向路径18的每一对换能器可如上述那样连接至信号处理装置26，以计算出对应的径向路径18的横向速度。最好是管子的所给的截面中的径向路径18较多，从而使横向速度流量分布更准确。
成形装置最好包括一个监视器，使得各位置的横向速度可一起显示而表示出横向速度分布图。出现在监视器上的一个显示的例子可如图9所示，其中呈现出在管12的截面上的顺、逆时针方向的旋转分量。一个VC∶VD的比值可用来推导出流量分布图的特性(参阅Weske J.的“ExperimentalInvestigation of Velocity Distributions Downstream of Single DuctBends”，NACA-TN-1471，1948年1月，在此作为参考)。流量分布图特性可用于选择具有最低的径向与斜向速度比的路径。
本发明还提供一种用于测定在管12中的液体的横向速度的装置。该装置包括用于以能量主动地测试流动的液体并产生一个对应于液体的横向速度的测试信号的装置。该测试装置与管12相接触。该测试装置106亦包括信号处理装置26，用于根据测试信号来确定液体的横向速度。信号处理装置26与横向速度测试装置106相连通。如前所述，测试装置最好是与管12相接触的第一换能器14和第二换能器16，使得构成一个径向路径18。由方程式(0)，横向速度可由信号处理装置108获得。
本发明还提供一种方法，用于建立流过管12的一个轴向长度110的液体的速度分布，如图7所示。该方法包括的步骤为：(a)通过导入能量来测量液体在管12的第一轴向位置112处的横向速度；然后，(b)通过导入能量来测量液体在管12的第二轴向位置114处的横向流速；在步骤(b)之后，最好有一个步骤(c)从第一、第二轴向位置112、114处测得的横向速度来形成液体在管12中的全部轴向长度110的横向速度分布；在步骤(c)之前，最好有一个步骤(d)测量液体在管12中的其他多个附加的不同的轴向位置的横向速度，例如在导入能量的管12的轴向位置116处；在步骤(d)之后，可以有一个步骤(e)根据横向速度而在所需的轴向位置固定一个与管12相接触的流量计。
如图7所示，还有一个用于建立在管12中流动的液体的速度分布的装置118。该装置118包括用于通过导入能量而获取沿管12的轴向长度110流动的液体的横向速度信息的装置120。该装置118还包括用于从横向流动信息形成沿管12的轴向长度110的横向速度分布的装置122。该形成装置122与获取装置120相连通。获取装置120最好能够是多个设置在一个可拆除的壳体(例如，与尼龙搭扣相连的壳体)中的换能器124。换能器124设置在壳体126中，使得每一个换能器124有一个匹配的换能器124，两者共同构成一个径向路径。各组换能器将其径向路径信息提供给获取装置122(它最好是上述的信号处理装置26)，以计算横向速度。形成装置122也可包括一个连接至信号处理装置26的监视器121，用于显示沿轴向长度110的速度分布。例如，一个流量计包括第一换能器14、第二换能器16、第三换能器20和第四换能器22，如图1所示，可以固定地设置在管12的最小横向速度处，以便获取轴向地流过管12的液体的尽可能准确的读数。
本发明还提供一种用于测量在管12中流动的液体11的温度的装置。该装置包括用于以能量主动地测量流动的液体并产生一个对应于液体11的温度的测试信号的装置。该测试装置与管12相接触，并且最好设置在管12的外侧。该装置还包括用于根据测试信号来确定液体11的温度的信号处理装置26。
测试装置最好包括一个第一换能器14，用于发送通过液体11的超声波信号，和一个第二换能器16，用于接收第一换能器14所发送的超声波信号。第二换能器16设置得与第一换能器14相对，使得第一换能器14发出的超声波信号经过一个关于管12的径向路径18而到达第二换能器16。测试装置最好还包括用于测量管12中的液体的压力的装置，例如一个压力计或感应计。压力测量装置与信号处理装置26和管12相连通。信号处理装置53最好根据对应于第一换能器和第二换能器之间的超声波信号的传送速度和液体的压力来确定管12中的液体的温度。信号处理装置26最好可对应于第一换能器14和第二换能器16之间的径向路径18来识别流过管12的液体的平均温度。为了计算温度，最好将以下方程式9-14用于信号处理装置20，例如计算机。由于第一和第二换能器14、16是设置在管12的外表面上，它们并不会干扰管中的液体的流动。于是，在管12中流动的液体11的温度可以被确定，而无需贯穿管12的由内径ID所定义的包围层的装置。
本发明还提供一种用于测量在管12中的流动的液体11中的声速的装置。该装置包括用于测试流动的液体11并产生一个对应于管中的液体的声速的测试信号的装置。该测试装置与管12相接触，并且最好设置在管12的外表面上。该装置还包括信号处理装置26，用于根据测试信号来确定管中的液体的声速。测试装置最好设置在管12外的气体的环境中。测试装置最好包括一个第一换能器14，用于发送超声波信号通过液体11，和一个第二换能器16，用于接收由第一换能器14发送的超声波信号。第二换能器16与第一换能器14相对地设置，使得第一换能器14发送的超声波信号可经过一个关于管12的径向路径18而到达第二换能器16。声速可由信号处理装置26(如计算机)利用方程式(5)、(7)和(8)以及必要的测量数据而确定。
本发明还提供一种用于确定管12中的液体的性质的装置10。该装置10包括用于测量液体中的声速并产生一个对应于声速的第一信号的第一装置。第一测量装置与液体相连通。装置10还包括用于测量液体的至少一种可变状态并产生一个对应于所测得的可变状态的第二信号的第二装置。第二装置与管中的液体相连通。另外，该装置包括与第一和第二测量装置相连通的信号处理装置26，用于确定液体的性质。如图1所示，第二测量装置最好包括用于测量液体的压力的装置。该压力测量装置与信号处理装置26相连接。该压力测量装置可以是一个与液体相连通的压力感应器。该第一装置可以包括与管子相接触的一个第一换能器14和一个第二换能器16，使得第一换能器14经过一个径向路径18向第二换能器16发送声能量。各换能器都与信号处理装置26相连通。
在此实施例中，信号处理装置26最好还可确定液体的比容。该比容可由“REM计算”确定为如附录A中的比容立方英尺/磅。对于此计算来说，压力由压力计独立地测量，而温度则由上述的声速来计算。另外，信号处理装置24可由比容和粘度以及后续的PF值来确定用于管中的液体的雷诺数(Reynolds number)。这是按下列方式进行的。运动粘度(kvis)、分布因数PF及雷诺数的确定可由附录A中的“计量因数的REM计算”获得，其中L表示对数。分布校正因数PF与沿斜向换能器之间的声路径的平均轴向速度v相关，而横跨流动的截面积的平均轴向速度为 。这可表示为： ν - ν = = PF PF随三项因数而改变。它们是：(1)平均流速： (2)液体密度与粘度分别为ρ与μ；(3)截面尺寸(即ID)。雷诺数可将上列三项因数的液压效应合并为一个。雷诺数Re可被用于确定速度分布的一种表达式(Nikuradse，J.的“Laws of Turbulent Flow inSmooth Pipes”，NASA TT F-10，359，1966年10月；Reichardt，H.的“Vollstandige Darstellung der turbelenten Geskhwindigkeits-verteilung in glatten Leitungen”ZAMM 31，208-219(1951)，在此作为参考)，因此PF值可由雷诺数确定。
LEFM采用符合用于公布的水与温度的比值的曲线首先算出的运动粘度，其中：
ν＝运动粘度＝μ/p＝绝对粘度/密度
然后，雷诺数可被算出：
Figure C9311803900221
PF值即可采用公布的数据(即Reichardt和Nikuradse)算出，它表示作为雷诺数的函数的速度分布。
在装置10中，利用温度测量装置，信号处理装置26最好能识别第一物质液体与第二物质液体之间的边界何时在径向路径上通过管子。温度测量装置例如可以是与一个管12或液体相接触的热耦合器。由于压力与温度是独立识别的，并且基本上是不变的温度与压力，因而由第一和第二换能器以及信号处理装置26所确定的比容的变化就表示管12中的物质的变化。压力、温度与声速可用于区别声速相同的液体。通常，在已知温度与压力下声速差异为0.5％的液体是容易区别的。类似地，采用压力和计算的温度，用符合公布的数据与温度和压力的比值的曲线，可确定水的比热含量和水的密度。采用液体的密度与比热含量，可以确定液体的焓(enthalpy)。
另一个实施例仅需用三个换能器来构成一个斜向路径和一个径向路径，如图8所示。第二换能器16和第四换能器22与上述相同。在第一换能器14和第三换能器20的位置处是一个双换能器23。一个压电元件37位于一个与表面27呈一个45°角的一个第一表面25上，用于发送超声波。超声波入射到双换能器23与管12的界面，在该处一部分能量折射，最终传送至第三换能器22，而一部分能量则反射至自由表面33。自由表面33与管12的外表面27呈一个22.5°角。来自双换能器23与管12的界面的反射能量再次由自由表面33反射，使其形成一个相对于管12的外表面的直角，并传送至第二换能器16。
本发明虽已在上述各实施例中详细说明，但应该明白，此详细说明仅用于说明目的，在不脱离本发明的实质和范畴即本申请权利要求书范围的基础上，本技术领域的人员可作出各种变化型式。
Figure C9311803900241

Claims (4)

1.一种用于测定管中液体流率的装置，包括：
一个第一换能器，它固定地安装在所述管的外表面上，用于发送声能量，所述第一换能器与所述管具有声接触
一个第二换能器，它固定地安装在所述管的外表面上，用于接收来自所述第一换能器的声能量，所述第二换能器与所述管相接触，使得所述第一换能器发送的声能量沿一个基本上径向路径通过管中的液体并通过管壁至所述第二换能器；
一个第三换能器，它固定地安装在所述管的外表面上，用于发送声能量，所述第三换能器与所述管具有声接触；
一个第四换能器，它固定地安装在所述管的外表面上，用于接收来自所述第三换能器的声能量，所述第四换能器与所述管相接触，使得所述第三换能器发送的声能量沿一个基本上斜向路径通过管中的液体并通过管壁至所述第四换能器，所述径向路径邻近于所述斜向路径；及
信号处理装置，用于仅根据所述第二和第四换能器所接收的声能量按照Q＝(π·ID·PF·Cf 2/8·tanφf)·(Δtd-Δtc)来确定管中液体的流率，其中，Q是所述管中的以立方英尺/秒为单位的液体流率；ID是所述管的以英寸为单位的内径；PF是液压分布因数，它等于所述液体在所述管中的平均速度与径向平均速度的比率，它可以由所述液体的雷诺数确定；Cf是声音在所述液体中的以英寸/秒为单位的速度；φf是声径向路径和斜向路径在所述液体中的夹角；Δtd是声音以秒为单位的由所述第一换能器至所述第二换能器沿斜向路径的经过时间和由所述第二换能器至所述第一换能器沿斜向路径的经过时间之差；Δtc是声音以秒为单位的由所述第三换能器至所述第四换能器沿径向路径的经过时间和由所述第四换能器至所述第三换能器沿径向路径的经过时间之差，该流率包括轴向流率和径向流率，所述第二和第四换能器与所述信号处理装置相连通。
2.根据权利要求1所述的用于测定管中液体流率的装置，其特征在于，所述第三和第四换能器相互相对地设置在上、下游位置，所述第三和第四换能器适于可交替地作为发送器和接收器，以便使声信号沿所述第三和第四换能器之间的斜向路径交替地在上、下游方向通过液体；并且，所述第一和第二换能器适于可交替地作为发送器和接收器，以便使声信号沿一个径向路径交替地通过所述第一和第二换能器之间的液体；并且，所述信号处理装置包括用于分别根据所述第一和第二换能器之间与所述第三和第四换能器之间传送的声信号的传送速度来确定管中液体的流率的装置。
3.根据权利要求2所述的用于测定管中液体流率的装置，其特征在于，它包含多组换能器，用于沿多个斜向路径交替地发送和接收通过液体的声能量。
4.根据权利要求3所述的用于测定管中液体流率的装置，其特征在于，它包含多组换能器，用于沿多个径向路径交替地发送和接收通过液体的声能量。
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