CN109477743B - 用于夹持式的超声波流量测量的方法和布置结构以及用于实现测量的主体 - Google Patents

用于夹持式的超声波流量测量的方法和布置结构以及用于实现测量的主体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及在偏心声音路径的测量的帮助下，用于夹持式的超声波流量测量的一种方法和一种布置结构，其中夹持式超声波换能器被固定在工艺管的中间件上，在下文中称为管段。此外，本发明还涉及一种用于实现测量的主体。本发明的目的在于，提供用于流量测量的一种布置结构和一种方法，即便在恶劣的测量条件下，其也能在大的测量范围内具有高测量精度，并且其借助于额外的偏心声音路径测量，进行流动剖面修正。此外，本发明的目的还在于，提供一种用于实现测量的主体。通过位于由液态或者气态工艺介质流经的工艺管上的根据本发明的用于夹持式的超声波流量测量的方法，既考虑到中心声音路径，也考虑到偏心声音路径。根据本发明的用于流量测量的布置结构包括由液态或者气态工艺介质流经的工艺管和至少一个声音换能器对。至少一个以接收模式工作的第二超声波换能器被布置在工艺管上。根据本发明，至少两个主体被布置在工艺管的内壁上。此外，该目的还通过用于实现测量的主体得以实现。

Description

用于夹持式的超声波流量测量的方法和布置结构以及用于实 现测量的主体
说明
本发明涉及在偏心声音路径的测量的帮助下，用于夹持式的超声波流量测量的一种方法和一种布置结构，其中夹持式超声波换能器被固定在工艺管的中间件上，在下文中称为管段(Spool Piece)。此外，本发明还涉及一种用于实现测量的主体。
夹持式的超声波流量测量仪广泛应用于许多工业领域。这种测量仪的一个显著优点在于，无接触地进行流量测量。对于根据传播时间法的夹持式的超声波流量测量仪，测量两个顺流或者说逆流传播的声音信号之间的传播时间差，并且由此计算体积流量。为此，在管壁上固定了两个声音换能器，这两个声音换能器都可以作为发射器并且作为接收器来工作。声音换能器由诸如压电陶瓷的有源元件构成，其布置在所谓的声音换能器前导部分(Schallwandlervorlauf)上，使得以入射角完成声音传播。用于声音换能器的激励脉冲的生成以及声音换能器的接收信号的评估在测量变换器中完成。该测量变换器为每个声音换能器提供测量通道。其中，传播时间差取决于声音路径上的平均流动速度以及流体中的声音传播时间。
对于体积流量的计算，必须根据路径积分近似成曲面积分。如果刚好流动剖面包括例如由弯管、挡板、法兰和/或由管中的焊缝触发的不均匀性，这就会导致计算中的错误。另外，流动剖面取决于介质的黏度和流动速度，并且即便在紊流是正常情况下时，流动剖面也可以形成为层流或紊流。
现有技术公开了若干绕开近似错误的途径。
存在有在将路径积分近似成曲面积分时考虑到额外流动力学特征参数的公式。其缺点在于，这些特征参数并非始终可用。
此外，可以由不同测量平面中的多通道测量布置来抵消失真的流动剖面。
此外，可以预先确定长的流入和流出区段，这样可以使得受干扰的流动剖面免受干扰。
为了测量而安装在管内并且由此可以达到更高的精度的超声波内联装置例如用作多射束布置，以测量不穿过圆形管的中心延伸的另外的路径积分(例如对于克洛纳(Krohne)公司的DE 102007004936 A1)。这些路径积分接下来被称作偏心声音路径。对于内联超声波布置，声音直接定向地离开声音换能器，并且再次进入测量介质，并且未使用任何声音换能器前导部分，并且未使用法向管壁来进行声音信号的输入耦合/输出耦合。
在使用夹持式超声波测量传感器时，由于斯涅尔折射定律，不能测量任何偏心声音路径。由于管壁和工艺介质的高声速差异(剪切波在钢中的速度为约3000m/s，液体为1000至2000，在气体的情况下为小于1000)，限制了从测量介质到管的可能的出射角。只有在直接法向(垂直)出射之外的小角度才是可能的。因此，对于圆形管，仅可测量穿过管中心的路径积分。然而，流动剖面中的不均匀性特别地出现在边缘处。
在专利文献DE 19808642 C1中提出了对此的解决方案。在五边形或者说多边形管件(管段)上，而非在圆形管件上使用夹持式超声波测量传感器。通过这一特殊布置，声音路程也在管的中心外延伸，并且因此也经过流动剖面的边缘区域。由此，有可能进行偏心路径积分的测量。
通过特殊成型的，但并非圆形的管件，并且通过管件内部的反射器，同样可能有不仅仅穿过管件中心延伸的路径积分(DE 4336370 C1)。反射器是高花费的(DE102013105922 A1)，或者管内壁必须在精确计算的位置处配置反射器表面(DE102011079250 A1)。
GB 2521661 A描述了一种具有不同传感器布置的流量计。在此发出并接收声辐射。传感器在外部围绕管布置。评估沿管中心(轴上)和在管中心外(离轴)的测量路径，以区分层流状态、紊流状态和过渡状态。本发明更高的目标是一种也可以在上游和下游测量气体和液体的混合相、多相的流量计。
US 2011/132102 A1中描述了一种由至少一个超声波换能器和评估单元构成的流量计。超声波换能器或者说测量管在结构上被配置为，使得垂直入射的声波在经过由自适应层/管壁/测量介质构成的边界层时中断。这通过耦合层得以实现。耦合层是管内壁中的空隙，而该空隙在横截面中又具有多个并排三角的形状。由此产生随着和逆着流动方向传播的声音路径，使得只用一个声音换能器和耦合层就可以测量传播时间差。
公开文献DE 19503714 A1描述了一种超声波流量计。其中描述了，如何可以通过优化的传感器对的布置，使横向流动的影响最小化。在此使用了不同方式布置的包括总共三个传感器对的透射平面。其中没有任何辐射平面包含偏心声音路径。所有平面都穿过管中心。
在WO 2006/007716 A2中公开了一种校准医疗诊断仪器的测量单元。这些诊断仪器使用通过超声波实现的成像方法。在此示出了柱形元素，对于成像校准单元而言，这些元素模拟骨骼或类似物。
US 4400803 A描述了一种回声探测器/声呐，其中通过特殊的发射器/接收器构造，设定期望的声波辐射张角，以勘察海底的拓扑。通过弯曲的反射器，类似于灯反射器，声波的散射被集结成束。
发明内容
本发明的目的在于，提供用于流量测量的一种布置结构和一种方法，其克服了现有技术的缺点，此外即便在恶劣的测量条件下，也能在大的测量范围内具有高测量精度，并且借助于额外的偏心声音路径测量，进行流动剖面修正。此外，本发明的目的还在于，提供一种用于实现偏心声音路径的测量的主体。
该目的通过一种用于夹持式的超声波流量测量的方法得以实现，其包括由液态或气态工艺介质流经的工艺管，并且包括夹持式超声波换能器。通过该方法，既考虑到中心声音路径，又考虑到偏心声音路径。该方法的特征在于下列方法步骤：
a.通过至少一个以发射模式工作的夹持式超声波换能器，将超声波输入耦合至工艺管，并且输入耦合至工艺介质。
b.横穿工艺管的中心的声波在以发射模式工作的夹持式超声波换能器的相对侧上击中至少一个第一主体，该第一主体被布置在工艺管的内部，并且实现未穿过工艺管中心延伸的偏心声音路径的测量，而偏心声音路径在此被分散在工艺管的整个内部空间内。
c.通过被布置在工艺管内壁上并且用于实现偏心声音路径的测量的至少一个第二主体，在分散的超声波从工艺介质到工艺管的边界通过的过程中，防止分散的超声波的全反射，使得分散的超声波可以离开工艺管。
d.最后，由至少一个以接收模式工作的第一夹持式超声波换能器接收中心声音路径的经过管中心的、未受干扰的超声波。偏心声音路径的分散的超声波由至少一个以接收模式工作的第二夹持式超声波换能器接收。
为了使夹持式的超声波流量测量适应具有其不同声速的各种工艺介质，可以在工艺管的纵向轴线上，在管外侧移动夹持式超声波传感器。用于实现偏心声音路径的测量的主体具有长形的、柱形的或者部分柱形的形状，由此保持夹持式超声波传感器与主体的配属关系，因为其在纵向上被布置在管内壁上。
该目的还通过一种用于夹持式的超声波流量测量的布置结构得以实现，该布置结构包括由液态或气态工艺介质流经的工艺管，并且包括具有至少一个声音换能器对的夹持式超声波换能器，其中声音换能器对由以发射模式工作的夹持式超声波换能器和以接收模式工作的第一夹持式超声波换能器构成。声音换能器对被用于测量经过管中心的、未受干扰的声音路径，即所谓的中心声音路径。夹持式超声波换能器被固定在工艺管上。
至少一个另外的以接收模式工作的夹持式超声波换能器被布置在工艺管上。其接收未经过工艺管的中心延伸的声音路径，即所谓的偏心声音路径。根据本发明，至少两个用于实现偏心声音路径的测量的主体被布置在工艺管的内壁上，其中至少一个用于实现偏心声音路径的测量的主体在工艺管中被布置为与以发射模式工作的夹持式超声波换能器对角相对，以便使在此出现的声波分散在工艺管的整个内部空间中。用于实现偏心声音路径的测量的第二主体在工艺管中被布置在以接收模式工作的第二夹持式超声波换能器前，以接收一部分分散的声波，并且通过工艺管的管壁，将其输送至以接收模式工作的第二夹持式超声波接收器。
有利地，所使用的夹持式超声波换能器既是以接收模式工作的夹持式超声波换能器，也是以发射模式工作的夹持式超声波换能器。
此外，该目的通过一种用于在夹持式的超声波流量测量时，实现偏心声音路径的测量的主体得以实现。沿着工艺管的纵向轴线布置根据本发明的主体。优选地，长形主体被设计为柱形或部分柱形或者管状，其中其直径小于工艺管的直径。在实施例中，根据本发明的主体被设计为全管状或者半管状。
在另一实施例中，主体被设计为实心材料，或者可以填充有液态或气态介质。
主体通过例如焊接连接、粘合连接和/或铆钉连接等不可拆的连接，固定在工艺管的内壁上。
用于实现偏心声音路径的测量的主体可以被集成在简单的管段里，其基本元件是直的标准安装管接头。由此可以使通用的夹持式超声方法与管段相结合。
根据本发明的主体的形状及其沿着管的定向允许通用于所有圆形的标准工艺管。通过夹持式超声波换能器沿着工艺管，在管外壁上，在轴向方向上的轴向移动，可以使整个布置适应于具有不同声速的所有工艺介质。通过用于实现偏心声音路径的测量的主体的长形形状，在夹持式超声波换能器沿着工艺管轴向移动的过程中，主体的作用不会丧失。
根据本发明的布置的主体使得偏心声音路径与工艺介质的输入耦合和输出耦合成为可能。除了常规地扫描穿过工艺管的中心的声音路径外，这些偏心声音路径还允许额外地扫描流动剖面。因此，可以通过传播时间差法，精确地测量工艺介质的体积流量。
发明的实施方式
在下文中，根据实施例，更详细地阐述本发明。图中示出：
图1以穿过工艺管的截面图，示意性地示出了一种用于夹持式的超声波流量测量的布置结构，其包括三个夹持式超声波换能器和两个用于实现偏心声音路径的测量的主体；
图2a以穿过工艺管的截面图，示意性地示出了一种用于夹持式的超声波流量测量的布置结构，其包括四个夹持式超声波换能器和四个用于实现偏心声音路径的测量的主体；
图2b以沿着工艺管的立体图，示意性地示出了一种用于夹持式的超声波流量测量的布置结构，其包括四个夹持式超声波换能器和四个用于实现偏心声音路径的测量的主体；
图2c以穿过工艺管的截面图，示意性地示出了一种用于夹持式的超声波流量测量的布置结构，其包括四个夹持式超声波换能器和两个用于实现偏心声音路径的测量的主体；
图2d以穿过工艺管的截面图，示意性地示出了一种用于夹持式的超声波流量测量的布置结构，其包括四个夹持式超声波换能器和四个用于实现偏心声音路径的测量的主体，其中中心声音路径不受干扰；
图3示出了不同的实施例中的用于实现偏心声音路径的测量的主体。
根据本发明的用于夹持式的超声波流量测量的布置结构包括填充有工艺介质2的工艺管1、被设计为发射器和/或接收器的至少三个夹持式超声波换能器U以及至少两个用于实现偏心声音路径32的测量的主体K。夹持式超声波换能器U在此位于工艺管1的外部，并且位于其管外壁上。用于实现偏心声音路径32的测量的主体K被布置在工艺管1的内部并且位于其内壁上。该布置结构优选地被设计为管段的形式，其中工艺管1通常具有圆形的横截面。
图1示出了根据本发明的用于夹持式的超声波流量测量的布置结构的示意图，其包括三个夹持式超声波换能器U，其中至少一个夹持式超声波换能器是以发射模式工作的夹持式超声波换能器US1，并且另外两个是以接收模式工作的夹持式超声波换能器UE1、UE2。此外，用于实现偏心声音路径32的测量的、设计为长形管的两个主体K以例如180°和270°等不同的角度，被轴向地布置在管内壁上。夹持式超声波换能器U被布置在工艺管1的外壁上，使得以发射模式工作的夹持式超声波换能器US1被布置为与以接收模式工作的第一夹持式超声波换能器UE1相对，从而在夹持式超声波换能器US1和UE1之间实现单路径布置。如同在没有用于实现偏心声音路径32的测量的主体K的布置中，穿过工艺管1的中点发射和接收声波，即所谓的中心声音路径31。在工艺管1上有用于实现偏心声音路径32的测量的第一主体K1，其平行于管壁延伸并且被布置在工艺管1的内壁上且紧邻夹持式超声波换能器UE1，其中通过该主体，使得在此出现的中心声音路径31的声波分散，并且在管内部的整个立体角内辐射。一部分分散的声波，即所谓的偏心声音路径32到达第二主体K2。在工艺管1的外壁上为用于实现偏心声音路径32的测量的第二主体K2分配有接收模式的第二夹持式超声波换能器UE2。第二主体K2接收偏心声波32。由此，防止声波从工艺介质2到工艺管1的边界通过的过程中超声波的全反射，分散的声波从而可以离开工艺管1，以便可以被第二夹持式超声波换能器UE2探测到。
图2a和图2b示出了根据本发明的偏心管段，其包括四个夹持式超声波换能器U和四个用于实现偏心声音路径32的测量的管状主体K。图2a示出了穿过工艺管1的截面图。在该实施方案中，夹持式超声波换能器U可以既是以接收模式工作的夹持式超声波换能器UE/S，也是以发射模式工作的夹持式超声波换能器US/E，并且被相对地布置在工艺管1的外壁上，其中下列对彼此相对：夹持式超声波换能器US/E1和夹持式超声波换能器UE/S1、夹持式超声波换能器US/E2和夹持式超声波换能器UE/S2。在工艺管1内轴向地布置有四个主体K，其中这些主体平行于管壁延伸地、例如以0°、90°、180°和270°的角度布置在工艺管1的内壁上。为每个用于实现偏心声音路径32的测量的主体K分配有一个夹持式超声波换能器U，其中主体K1紧邻夹持式超声波换能器UE/S1，主体K2紧邻夹持式超声波换能器UE/S2，主体K3紧邻夹持式超声波换能器US/E1，并且主体K4紧邻夹持式超声波换能器US/E2。除了彼此相对的夹持式超声波换能器对US/E1/UE/S1和US/E2/UE/S2形成的中心声音路径31外，通过该布置结构还能测量偏心声音路径32。在图2b中的立体图中，示意性地沿着工艺管1的纵向轴线显示了，夹持式超声波换能器U之间的对应的中心声音路径31和偏心声音路径32。
图2c示出了一种简单但可靠的布置结构。夹持式超声波换能器对US/E1/UE/S1只测量中心声音路径31。沿着该中心声音路径31没有布置任何用于实现偏心声音路径32的测量的主体K。在该布置结构中，使用夹持式超声波换能器对UE2/US2来测量偏心声音路径32。通过将夹持式超声波换能器US2的声音信号分散在管内部2中的主体K1生成偏心声音路径32，并且由主体K2进行接收，被分配给用于实现偏心声音路径32的测量的主体K2的夹持式超声波换能器UE2由此可以探测偏心声音路径32。
图2d示出了类似于图2c的另一布置结构。在此，额外地布置有另外两个主体K。夹持式超声波换能器对US/E1/UE/S1的中心声音路径31不受用于实现偏心声音路径32的测量的主体K的干扰的这一概念得到保留。额外的主体K3和K4允许通过夹持式超声波换能器US/E2/UE/S2测量多个偏心声音路径32。
在图3中显示了用于实现偏心声音路径32的测量的主体K的各种不同的实施方案，其中主体Ka被实施为填充有工艺介质2的管，主体Kb被实施为诸如钢的实心材料制成的杆，主体Kc被实施为填充有空气的管，而主体Kd被实施为填充有空气的半管。也可以考虑填充有工艺介质2或者设计为实心材料的其它半管实施方案，然而在此没有图示。
因为前文中详细描述的布置结构和详细描述的方法涉及的是实施例，所以本领域技术人员通常可以在广泛的范围内对其进行修改，而不会偏离本发明的范围。特别地，也可以得出不同于在此次描述的形式的布置结构的具体设计方案。同样地可以设计其它形式的布置结构，只要出于位置原因或者说设计的原因是必要的。另外，不定冠词“一个”或者说“一种”的使用并不排除也存在多个相关特征的可能性。
附图标记
1 工艺管
2 工艺介质
3 声音路径
31 中心声音路径
32 偏心声音路径
K 用于实现偏心声音路径32的测量的主体(K1、K2、K3、K4)
Ka 实施为填充有工艺介质2的管的主体
Kb 实施为实心材料制成的杆的主体
Kc 实施为填充有空气的管的主体
Kd 实施为填充有空气的半管的主体
U 超声波换能器
US 以发射模式工作的夹持式超声波换能器(US1)
UE 以接收模式工作的夹持式超声波换能器(UE1、UE2)
US/E/UE/S 以发射模式和接收模式工作的夹持式超声波换能器(UE/S1、US/E1、UE/S2、US/E2)

Claims (8)

1.一种用于夹持式的超声波流量测量的方法，包括由液态或者气态工艺介质(2)流经的工艺管(1)，其中考虑到中心声音路径(31)和偏心声音路径(32)，并且包括夹持式超声波换能器(U)，其特征在于下列方法步骤：
a.通过以发射模式工作的夹持式超声波换能器(US)，将超声波输入耦合至所述工艺管(1)，并且输入耦合至所述工艺介质(2)，
b.通过被布置在所述工艺管(1)的内部并且用于实现偏心声音路径(32)的测量的至少一个第一主体(K1)，使所述超声波分散在所述工艺管(1)中，
c.通过被布置在所述工艺管(1)的内壁上并且用于实现偏心声音路径(32)的测量的至少一个第二主体(K2)，在分散的所述超声波从所述工艺介质(2)到所述工艺管(1)的边界通过的过程中，防止分散的所述超声波的全反射，使得分散的所述超声波能够离开所述工艺管(1)，
d.由至少一个以接收模式工作的第一夹持式超声波换能器(UE1)，接收所述中心声音路径(31)的未受干扰的超声波，并且由至少一个以接收模式工作的第二夹持式超声波换能器(UE2)接收所述偏心声音路径(32)的分散的超声波，
所述至少一个第一主体(K1)和所述至少一个第二主体(K2)被设计为长形的、柱状的和/或管状的，其直径小于所述工艺管(1)的直径。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述夹持式超声波换能器(U)沿着所述工艺管(1)轴向移动，其中用于实现偏心声音路径(32)的测量的所述至少一个第一主体(K1)和所述至少一个第二主体(K2)具有长形的形状。
3.一种用于夹持式的超声波流量测量的布置结构，包括由液态或者气态工艺介质(2)流经的工艺管(1)，并且包括具有至少一个声音换能器对的夹持式超声波换能器(U)，所述声音换能器对由以发射模式工作的夹持式超声波换能器(US)和以接收模式工作的夹持式超声波换能器(UE1)构成并且用于测量中心声音路径(31)，其中用于测量偏心声音路径(32)的至少一个另外的以接收模式工作的夹持式超声波换能器(UE2)被布置在所述工艺管(1)上，其特征在于，
用于实现偏心声音路径(32)的测量的至少一个第一主体(K1)和至少一个第二主体(K2)沿着纵向轴线，被布置在所述工艺管(1)的内壁上，
所述至少一个第一主体(K1)和所述至少一个第二主体(K2)被设计为长形的、柱状的和/或管状的，其直径小于所述工艺管(1)的直径。
4.根据权利要求3所述的布置结构，其特征在于，
所述至少一个第一主体(K1)在所述工艺管(1)中被布置为与以发射模式工作的所述夹持式超声波换能器(US)对角相对，并且所述至少一个第二主体(K2)在所述工艺管(1)中被布置在另外的以接收模式工作的夹持式超声波换能器(UE2)前。
5.根据权利要求3所述的布置结构，其特征在于，
所述夹持式超声波换能器(U)既是以接收模式工作的超声波换能器也是以发射模式工作的超声波换能器(UE/S/US/E)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的布置结构，其特征在于，
所述至少一个第一主体(K1)和所述至少一个第二主体(K2)被设计为全管状或者半管状。
7.根据权利要求3至5中任一项所述的布置结构，其特征在于，
所述至少一个第一主体(K1)和所述至少一个第二主体(K2)被设计为实心材料的柱形或者部分柱形。
8.根据权利要求3至5中任一项所述的布置结构，其特征在于，
所述至少一个第一主体(K1)和所述至少一个第二主体(K2)填充有液态或者气态工艺介质。
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