CN108732379B - 用于测量流体的流速的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量流体的流速的测量装置。本发明涉及一种用于测量在圆形管道中以主流方向流动的流体的流速的测量装置，该测量装置包括用于将流体从圆形管道引导到测量装置中的入口段；用于将流体从测量装置引导到圆形管道中的出口段；用于使入口段与出口段相连的测量段；至少一个用于发射和/或接收超声波的超声波装置，其中该超声波装置布置在测量段的壁上；以及用于执行传播时差测量并且用于确定流速的评估单元，其中入口段具有第一超椭圆的过渡形状并且出口段具有第二超椭圆的过渡形状，并且测量段具有矩形形状，特别是具有带圆角的矩形形状。

Description

用于测量流体的流速的测量装置
技术领域
本发明涉及一种用于测量在圆形管道中以主流方向流动的流体的流速(Durchflussgeschwindigkeit)的测量装置。
背景技术
为了确定管道中、优选为圆形管中流体的流速，除了各种物理原理外还使用超声波，超声波被发送到管道中。借助传播时差法(Differenzlaufzeitverfahren)可以确定流动流体的流速并从而确定流动
Figure GDA0002507065260000011
的流速。
在这种情况下，超声波由一对超声波装置，特别是超声波换能器发送并接收，其中超声波装置在斜向于主流方向或流体的流动的测量路径的端部处彼此相对地布置在管道的壁上。
由流体输送的超声波在流动方向加速并且在与流动方向相反时减速。将得到的传播时间差用几何量计算成流体的平均流速，从中确定流动流体的流速。
天然气管道的气体计量表
Figure GDA0002507065260000012
是一个重要的且要求高的应用领域，其中，由于输送的气体量和原料价值巨大，因此在测量精度中(例如实际输送量与所测得的量之间的)最微小的偏差就能够导致价值的显著差异。这会导致资金差异很大。上述测量装置在大气体量测量的领域因其准确性、免于维护和自诊断能力而越来越多地在气体输送和气体存储方面使用。
因为超声波测量路径仅扫描定义位置上的流动速度，所以最终趋近于通过整个流动横截面的平均流动速度。因此，高准确性只有在下述情况下才能实现，即流动可以很好地再现或具有不受干扰的流动剖面，或者许多测量路径能够解决不均匀性。
在圆形管道或管上指定多个测量路径时，超声波装置可以仅布置在圆形管道的壁上，从而产生沿直径的测量路径。这也就是说，测量路径相交于管中心点，使得测量总是通过该管中心点来进行。这样一来，测量信号穿过受速度梯度影响最强的流动横截面，因为层流时流体在圆形管道中的速度分布是抛物线。因此，测量信号只能提供不准确的流动速度的平均值。
由于这个原因，为了更好地扫描流动剖面，令人感兴趣的是测量装置的测量段中的非圆形的流动横截面。
发明内容
因此，本发明的任务在于提供一种用于测量流体的流速的测量装置，该测量装置能使流速的测量质量得以提高。
根据本发明，该任务通过具有以下所述的特征的测量装置得以实现。
在此，根据本发明的用于测量在圆形管道中以主流方向流动的流体的流速的测量装置包括：入口段，该入口段用于将流体从圆形管道引导到测量装置中；出口段，该出口段用于将流体从测量装置引导到圆形管道中；测量段，该测量段用于将入口段与出口段连接；至少一个超声波装置，该超声波装置用于发射和/或接收超声波，其中超声波装置布置在测量段的壁上；以及评估单元，该评估单元用于执行传播时差测量并且用于确定流速，其中入口段具有第一超椭圆的过渡形状并且出口段具有第二超椭圆的过渡形状，并且测量段具有矩形形状，特别是具有带圆角(abgerundeten Ecken)的矩形形状。
由此产生的优点是，从圆形管道至根据本发明的测量装置的(特别是带圆角的)矩形的测量段的特别均匀的过渡几何形状用于层流是可行的，从而使得在流动均匀的同时，可以将根据本发明的测量装置的结构长度构造得极小。
根据优选的实施例，根据本发明的测量装置在圆形管道中与流体的主流同轴地布置。
有利地，入口段的第一超椭圆的过渡形状从圆形的横截面过渡到矩形的横截面、特别地过渡到具有圆角的矩形的横截面，该圆形的横截面与圆形管道的横截面相符，该矩形的横截面与测量段的矩形形状相符，从而使得流体从圆形管道至根据本发明的测量装置的矩形的、特别地具有圆角的矩形的测量段的过渡过程中不会产生流动分离
Figure GDA0002507065260000033
此外，根据本发明的测量装置的出口段的第二超椭圆的过渡形状有利地从矩形的、特别地具有圆角的矩形的横截面过渡到圆形的横截面，该矩形的横截面与测量段的矩形形状相符，该圆形的横截面与圆形管道的横截面相符，从而使得在根据本发明的测量装置的出口处不会产生涡流。
根据另一个优选的实施例，通过公式
Figure GDA0002507065260000031
来描述超椭圆的过渡形状，其中半轴a(z)和b(z)以及指数n(z)分别为坐标z的函数，其中z是指向主流方向的计算轴的坐标。x和y是垂直于计算轴z的空间坐标。特别地，在圆形的法兰段，指数n(法兰)＝2，并且半轴a(z)和b(z)等于法兰的半径，a(法兰)＝b(法兰)＝R。优选地，在矩形的测量段的区域、特别地具有圆角的矩形的测量段的区域中，n(测量段)的值大于2。对很好的近似于矩形的测量段来说，n(测量段)的值大于5是有利的。半轴a和b相互之间的比例定义了测量段的横截面比例。特别地，典型值是
Figure GDA0002507065260000032
在法兰段和测量段之间的入口段或出口段中，半轴a(z)和b(z)以及指数n(z)的值作为计算轴的坐标z的函数连续变化，由此可以消除过渡形状的轮廓变化中大的梯度。
此外，根据另一个优选的实施例，超声波装置以如下方式布置在根据本发明的测量装置的(特别地具有圆角的)矩形的测量段的壁上，使得超声波装置的至少一个测量路径近似平行于(特别地具有圆角的)矩形的测量段的侧壁定向。这也就是说，测量路径被构造成使得其沿着计算轴z在主流方向上倾斜并且基本平行于测量段的侧壁。
有利地，超声波装置以如下方式布置在(特别地具有圆角的)矩形的测量段的壁上，使得在(特别地具有圆角的)矩形的测量段中产生割线(sekante)的测量路径取向。这样一来，测量信号不会穿过受速度梯度影响最强的流动横截面，从而使得流动剖面得以提高的扫描密度能够导致更准确地形成流动速度的平均值。
本发明的优选实施形式和改进形式以及其它优点可以从以下描述和附图中获悉。
附图说明
下面将借助实施例并参考附图对本发明进行详细的阐述。图中显示：
图1示出了根据本发明的测量装置的示意性3D视图；
图2示出了根据图1的根据本发明的测量装置的示意性侧视图；
图3A示出了沿着图2中的剖面线A-A的示意性剖视图；
图3B示出了沿着图2中的剖面线B-B的示意性剖视图；并且
图3C示出了沿着图2中的剖面线C-C的示意性剖视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的测量装置1的优选实施例的示意性3D视图，该测量装置测量在圆形管道L中以主流方向流动的流体F的流速。流体F例如可以包括天然气、石油或类似物。
在此，测量装置1与圆形管道L中流体F的主流同轴地布置。
测量装置1包括法兰段Fl，该法兰段使测量装置1与圆形管道L相连并将流体F从圆形管道L引导到测量装置1中。
测量装置1的入口段E邻接法兰段Fl，该入口段具有第一超椭圆的过渡形状，该第一超椭圆的过渡形状从测量装置1的入口段E的起始部延伸到测量段M。在此，第一超椭圆的过渡形状从法兰段Fl的圆形的横截面Q过渡到矩形的横截面R，其中“矩形的”横截面R在下文中被理解成：横截面R优选具有带圆角和彼此近似平行的边的矩形形状。这特别是指：横截面R具有视觉上笔直的平行的边。
测量装置1的测量段M具有矩形形状，该矩形形状具有矩形的横截面R，其中在测量装置1的测量段M内测量流体F的流速。测量装置1的出口段A邻接测量装置1的测量段M，其中法兰段Fl邻接出口段A，该法兰段将流体F(其流速在测量装置1的测量段M中确定)从测量装置1引导回到圆形管道L中。这就是说，测量装置1的测量段M使测量装置1的入口段E与出口段A相连。
测量装置1的出口段A具有第二超椭圆的过渡形状，该第二超椭圆的过渡形状从测量装置1的矩形的测量段M延伸至测量装置1的端部且与圆形管道L相连。在此，第二超椭圆的过渡形状从矩形的横截面R过渡到与圆形管道L的圆形的横截面相符的圆形的横截面Q。
在本发明中，过渡形状是指测量装置1的入口段或出口段E或A的形状的结构设计。该形状通常不对应于空心的截头圆锥，而是对应于超椭圆的空心的柱身(Stumpf)。
用公式
Figure GDA0002507065260000051
来描述超椭圆的过渡形状，其中a(z)和b(z)表示超椭圆的过渡形状的半轴。半轴a(z)和b(z)是z的函数，即是指向主流方向的计算轴z的坐标的函数，其中x和y是垂直于计算轴z的空间坐标。指数n(z)也是指向主流方向的计算轴z的坐标的函数。在此，半轴a(z)和b(z)可被理解为是超椭圆的特征半径。这就是说，半轴a(z)和b(z)以及指数n(z)的值随着沿主流方向上的计算轴z逐步观察测量装置1的形状而从入口段E的起始部至出口段A的端部连续变化。
特别地，在测量装置1的圆形的法兰段Fl中，指数n(z)等于2且半轴a(z)和b(z)等于法兰的半径。在近似矩形的测量段M的区域中，指数n(z)的值大于2，其中对很好的近似于矩形的测量段M来说，n的值大于5是有利的。半轴a(z)和b(z)的相互之间的比例定义了测量段M的横截面比例。典型值是
Figure GDA0002507065260000052
换言之，在法兰段Fl和测量段M之间的入口段和出口段E和A中，半轴a(z)和b(z)以及指数n(z)的值作为z的函数连续变化，从而能够实现测量装置1的超椭圆的过渡形状。
在测量装置1的测量段M的壁上布置了至少一个发射和/或接收超声波的超声波装置2，从而使得未示出的评估单元基于超声波装置2的测量信号确定流体F的流速。在这种情况下，评估单元借助传播时差测量来进行流速的确定。
如图2的示意性侧视图所示，测量装置1的矩形的测量段M能够将超声波装置2以如下方式布置在壁上，使得超声波装置2的至少一个测量路径2a平行于测量装置1的矩形的测量段M的侧壁定向。特别地，超声波装置2在测量装置1的矩形的测量段M中产生割线的测量路径取向，从而使得测量装置1的测量信号可以在流体F的整个流动剖面被检测到。这就是说，测量路径2a沿计算轴z向主流方向倾斜并且平行于具有圆角的矩形的测量段M的侧壁，其中提到的侧壁在其上不安装超声波装置2。
换言之，超声波装置2的该测量路径或这些测量路径2a可以相互平行取向且不相交于圆形管道L的中点。这能更好地扫描流体F的流动剖面并从而得到流体F的流速的更准确的值。
图3A和3B中的示意性剖视图示出了根据本发明的测量装置1的结构设计。图3A示出了测量装置1的入口段E沿着剖面线A-A的示意性剖视图。在该位置处，入口段E的横截面Q是圆形的且基本上与圆形管道L的横截面相符。
从该位置开始，测量装置1的入口段E具有第一超椭圆的过渡形状，使得第一超椭圆的过渡形状在入口段E的端部处且在测量装置1的入口段E向测量段M的过渡处具有矩形的横截面R，如图3B所示。由此保证在测量装置1的整个流动段上的具有恒定横截面面积的均匀过渡，从而使在流体F的流动剖面中，特别是在测量装置1的测量段M内的涡流消失。这就是说，在流体F从圆形管道L至测量装置1的测量段M的过渡处，在流体F的流动剖面中不会产生流动分离。
测量装置1的测量段M保持矩形的横截面R直到连通到测量装置1的出口段A。测量装置1的出口段A以矩形的横截面R开始并具有第二超椭圆的过渡形状，从而使得在测量装置的出口段A的端部处再次存在与圆形管道L的圆形的横截面Q相符的圆形的横截面Q。
由此一来，沿着根据本发明的整个测量装置1避免流体F的流动分离，从而能够实现流体F的流速的测量质量的提高。
借助测量装置1的测量段M的矩形的横截面R将超声波装置2(如图3C所示)沿测量装置1的矩形的测量段M的外壁并排布置是可行的。由此可以实现超声波装置2的测量路径2a在测量装置1的矩形的测量段M中切割的测量路径取向，其中测量路径2a平行于测量装置1的矩形的测量段M的侧壁延伸，其中该侧壁垂直于测量装置1的测量段M的其上布置有超声波装置2的壁。
与现有技术的沿直径的测量路径取向相反，在图3C中，测量装置1的超声波装置2的割线的测量路径2a检测流体的整个流动横截面，从而使得根据本发明的测量装置1的测量信号可以提供更准确的流动速度的平均值。
参考标记列表
1 测量装置
2 超声波装置
2a 测量路径
A 出口段
E 入口段
F 流体
Fl 法兰段
L 管道
M 测量段
Q 圆形的横截面
R 矩形的横截面
x，y，z 坐标轴。

Claims (11)

1.一种用于测量流体(F)的流速的测量装置(1)，所述流体在圆形管道(L)中以主流方向流动，所述测量装置(1)包括：
入口段(E)，所述入口段用于将流体从所述圆形管道(L)引导到所述测量装置(1)中；
出口段(A)，所述出口段用于将流体从所述测量装置(1)引导到所述圆形管道(L)中；
测量段(M)，所述测量段用于将所述入口段(E)与所述出口段(A)连接；
至少一个超声波装置(2)，所述超声波装置用于发射和/或接收超声波，其中所述超声波装置(2)布置在所述测量段(M)的壁上；和
评估单元，所述评估单元用于执行传播时差测量并且用于确定所述流速，
其中所述入口段(E)具有第一超椭圆的过渡形状并且所述出口段(A)具有第二超椭圆的过渡形状，并且所述测量段(M)的横截面具有矩形形状，
其中所述第一超椭圆的过渡形状和所述第二超椭圆的过渡形状通过公式
Figure FDA0002609996750000011
描述，其中a(z)和b(z)表示超椭圆的过渡形状的半轴，其中a(z)、b(z)和n(z)是z的函数，z是指向主流方向的计算轴的坐标，x和y是垂直于计算轴z的空间坐标。
2.根据权利要求1所述的测量装置(1)，其中所述测量段(M)的横截面是带圆角的矩形形状。
3.根据权利要求1所述的测量装置(1)，其中所述测量装置(1)在所述圆形管道(L)中与流体的主流同轴地布置。
4.根据权利要求2所述的测量装置(1)，其中所述测量装置(1)在所述圆形管道(L)中与流体的主流同轴地布置。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的测量装置(1)，其中所述超声波装置(2)布置在矩形的测量段(M)的壁上，使得所述超声波装置(2)的至少一个测量路径(2a)平行于矩形的测量段(M)的侧壁。
6.根据权利要求5所述的测量装置(1)，其中所述超声波装置(2)布置在矩形的测量段(M)的壁上，使得在矩形的测量段(M)中产生如下的测量路径，该测量路径平行于矩形的测量段(M)的侧壁同时垂直于矩形的测量段(M)的布置有所述超声波装置(2)的壁。
7.根据权利要求1-4和6中任一项所述的测量装置(1)，其中所述第一超椭圆的过渡形状从圆形的横截面(Q)过渡到矩形的横截面(R)。
8.根据权利要求5所述的测量装置(1)，其中所述第一超椭圆的过渡形状从圆形的横截面(Q)过渡到矩形的横截面(R)。
9.根据权利要求1-4、6和8中任一项所述的测量装置(1)，其中所述第二超椭圆的过渡形状从矩形的横截面(R)过渡到圆形的横截面(Q)。
10.根据权利要求5所述的测量装置(1)，其中所述第二超椭圆的过渡形状从矩形的横截面(R)过渡到圆形的横截面(Q)。
11.根据权利要求7所述的测量装置(1)，其中所述第二超椭圆的过渡形状从矩形的横截面(R)过渡到圆形的横截面(Q)。
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