CN110799808B - 用于进行超声流测量的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于根据渡越时间法进行超声流测量的方法和布置结构。本发明的目的是开发一种用于进行不受黏度影响的准确且非侵入的流测量的方法。此外，目的在于描述一种用于该方法的可用装置。根据本发明的用于进行超声流测量的装置具有至少一个声音换能器对，该至少一个声音换能器对由以传输操作运行的外夹式超声换能器和以接收操作运行的外夹式超声换能器组成。气态或液态介质流动通过的测量管的截面大致为五边形，具有基部侧部、并具有以直角相邻的侧部、以及具有与上述侧部相邻并位于基部侧部对面、包括小于180°的角度的侧部。声音换能器对布置在基部侧部上，以产生第一声音路径。由于位于基部侧部对面的顶点的平坦化，同一声音换能器对还产生第二声音路径。

Description

用于进行超声流测量的装置和方法
背景技术
本发明涉及用于进行超声流测量的装置和方法。
超声流量计广泛应用于许多工业领域。在用渡越时间法进行超声流测量的情况下，测量顺着和逆着流传播的两个声信号之间的差，并据此计算体积流量。可以使用一个或多个测量路径（声学路径）进行测量。在该关系中，由两个声换能器形成测量路径，两个声换能器均能运行作为发射器和接收器。根据渡越时间的差Δt、流体中的渡越时间分数以及在工厂确定的传感器常数Ka来确定声学路径上的平均流速Vl：
Vl= Ka *（∆t/2tl） 等式（1）
流量Q由路径平均值Vl、管的截面面积A和流体力学校准因数KF得到，表示为
Q = KF*A*Vl 等式（2）
根据路径平均值Vl与流速的面积平均值VA的比计算校准因数KF：
KF = VA/Vl 等式（3）
通过将声换能器从外部放置到管上，可以以无干预的方式进行测量。然而，在截面为圆形的管的情况下，这种测量布置受到直径测量路径的限制。这样，流体力学校准因数KF在很大程度上取决于雷诺数和摄入条件，特别是在流的层流/湍流渡越区中的雷诺数和摄入条件。在DE 19808642 C1中，提出了一种具有无干预声换能器的布置结构，其使得测量效果可以在很大程度上不受流动剖面的影响。通过使用截面为五边形的测量管，实现下述声学路径轮廓，其中，路径平均值Vl大约等于面积平均值VA，使得流体力学校准系数KF为约KF=1，不受雷诺数和摄入条件的影响。然而，这仅在近似法的情况下成立。这种布置也显示出对雷诺数的依赖性——虽然轻微。流体力学校准因数KF对雷诺数的函数可以在工厂通过校准确定，并可以保存在测量发射器的算术逻辑单元中。在操作期间，该函数可以用于校正测得值。由于雷诺数取决于黏度，因此，在测量期间，黏度必须是已知的。但在许多介质的情况下，尤其是例如在碳氢化合物的情况下，已知的仅仅是不够精确的黏度。
US 2015260558 A1中描述了用于测量雷诺数的一种可能性。根据四路径布置结构的剖面因数确定雷诺数和黏度。为此，首先借助于流调整器和减速器生成对称剖面，使得剖面因数仅取决于雷诺数，而不取决于可能的之前的摄动。该方案不适合进行无干预测量。
发明内容
本发明的目的是开发一种用于进行不受黏度影响的准确且无干预的流测量。此外，目的在于描述一种可以用于该方法的装置。
一种可能的方案是一种用于用至少一个第一声音换能器对进行超声流测量的装置，至少一个第一声音换能器对由以发射模式运行的一个外夹式超声换能器和以接收模式运行的一个外夹式超声换能器组成。气态或液态介质流动通过的测量管的截面大致为五边形，具有基部并具有各自均以直角邻接的侧部、以及具有与上述侧部邻接并位于基部对面、以小于180°的角度围封的侧部。第一声音换能器对布置在基部上，用于生成第一声学路径的目的。另外，布置了至少一个第二声音换能器对，由其生成一个或多个另外的声学路径。该至少第二声音换能器对布置在邻接基部的侧部的一个或两个上。
根据本发明的用于进行超声流测量的装置具有一个声音换能器对，该声音换能器对由以发射模式运行的一个外夹式超声换能器和以接收模式运行的一个外夹式超声换能器组成。气态或液态介质流动通过的测量管的截面大致为五边形，具有基部并且具有以直角邻接的侧部、以及具有与上述侧部邻接并位于基部对面、以小于180°的角度围封的侧部，所述声音换能器对布置在基部上，用于生成第一声学路径的目的。位于基部对面、在位于基部对面的侧部之间的顶点已被平坦化并且构成反射器，使得布置在基部上的声音换能器对实现第一声学路径和第二声学路径。第二声学路径从处于发射模式的外夹式超声换能器经由反射器延伸至处于接收模式的外夹式超声换能器。
在一个可能的实施方式中，至少一个第二声音换能器对布置在基部上，位于反射器对面。
根据本发明的用于进行超声流测量的方法通过使用具有声音换能器对的装置进行，该声音换能器对由以发射模式运行的一个外夹式超声换能器和以接收模式运行的一个外夹式超声换能器组成。气态或液态介质流动通过的测量管的截面大致为五边形，具有基部并具有各自均以直角邻接的侧部、以及具有与上述侧部邻接并位于基部对面、以小于180°的角度围封的侧部。声音换能器对布置在基部上，用于生成第一声学路径的目的。位于基部对面、在位于基部对面的侧部之间的顶点已被平坦化并且构成反射器，使得实现第一声学路径的声音换能器对还实现第二声学路径。第二声学路径从位于基部上的处于发射模式的外夹式超声换能器经由反射器延伸至位于基部上的处于接收模式的外夹式超声换能器。
根据本发明，测量发射器的算术逻辑单元中已保存有函数F_Re（K_VL），所述函数F_Re（K_VL）表示随下述比变化的雷诺数（Re），所述比为在第一声学路径上确定的平均第一流速与在第二声学路径上确定的平均第二流速的比K_VL。
对于第一声学路径，对于一种实现，已有保存函数KF1（Re），所述函数KF1（Re）表示随雷诺数变化的下述比：随雷诺数变化的所述比为测量管中的流的面积平均值与在第一声学路径上确定的流速的比。
对于一个实施方式，已实施一算法，所述算法用函数F_Re（K_VL）根据在第一声学路径和第二声学路径上确定的流速计算雷诺数并因此计算流体力学校准系数KF1（Re）和流量Q=KF1*A*Vl。根据雷诺数Re、经由函数vis=VA * Di /Re计算黏度。
该目的还通过一种使用具有声音换能器对的装置进行超声流测量的方法来实现，声音换能器对由以发射模式运行的一个外夹式超声换能器和以接收模式运行的一个外夹式超声换能器组成，气态或液态介质流动通过的测量管的截面大致为五边形，具有基部、并具有各自均以直角邻接的侧部、以及具有与上述侧部邻接并位于基部对面、以小于180°的角度围封的侧部，一个声音换能器对布置在基部上，用于生成第一声学路径的目的。位于基部对面、在位于基部对面的侧部之间的顶点已被平坦化并且构成反射器，使得实现第一声学路径的声音换能器对还实现第二声学路径。第二声学路径从位于基部上的处于发射模式的外夹式超声换能器经由反射器延伸至位于基部上的处于接收模式的外夹式超声换能器。
根据本发明，测量换能器的算术逻辑单元中已保存有函数KF1（K_VL），所述函数KF1（K_VL）表示随下述比变化的流体力学校准因数，所述比为第一声学路径上确定的第一流速与第二声学路径上确定的第二流速的比K_VL。
对于执行，算法用函数KF1（K_VL）根据第一和第二声学路径上确定的流速计算流体力学校准因数KF1并计算流量Q=KF1*A*Vl。
附图说明
将基于实施方式实施例更详细地阐明本发明。示出了：
图1：根据现有技术的具有超声换能器的测量管的侧视图以及声学路径S1，
图2：根据现有技术的测量管在超声换能器对T1的平面中的截面以及声学路径S1的投射到声音换能器对T1的平面中的选定的部分声学路径，
图3：根据现有技术的测量管在声音换能器对T1的平面中的截面以及整个波前的声学路径S1，
图4是根据本发明的一实施方式的用于用声音换能器对进行超声流测量的装置，其中，图4a：测量管在声音换能器对T2的平面中的截面以及成反射布置的投射到声音换能器对T2的平面中的声学路径S2，
图4b至d：更好地进行说明的各个视图，
图5是根据本发明的另一实施方式的用于用声音换能器对进行超声流测量的装置，其中，图5a：测量管在声音换能器对T2的平面中的截面以及成直射布置的投射到声音换能器对T2的平面中的声学路径S2，
图5b至d：更好地进行说明的各个视图，
图6：测量管在声音换能器对T2的平面中的截面以及成反射布置的投射到声音换能器对T2的平面中的声学路径S2，其中，声音换能器布置在基部上，
图7：测量管在声音换能器对T1的平面中的截面以及成反射布置的投射到声音换能器对T2的平面中的声学路径S2，其中，声音换能器对T1生成声学路径S1和声学路径S2二者。
图1示出了从DE 19808642 C1已知的测量布置结构。声音从声音换能器对T1的超声换能器T1a耦合进入管壁，通过管壁并进入流体。经过在管的内壁上的多次反射，声音经由管壁耦合出去并到达超声换能器T1b。
测量管M的截面形状的尺寸设置的目的在于，测量管M的整个截面都被均匀地声学辐射并且波前的单个分量的部分声学路径尽可能广延地通过流体的当量区域。截面是五边形，其中，超声换能器T1a、T1b已安装在侧部上，该侧部在下文称为基部1。邻接基部1的侧部2和3均以直角围封基部。位于基部1对面的侧部4和5包括小于180°的角度。
图2以截面示出了针对声音换能器对T1的两个选定辐射点的部分声学路径S1a、S1b。部分声学路径S1a在声音换能器对T1的右边缘开始，部分声学路径S1b在声音换能器对T1的中心附近的点处开始。在该关系中，认为波前的传播以简化的方式出现在平行路径上。将了解，如果认为流动剖面是对称的，则两个部分声学路径S1a、S1b均通过流体的当量区域。此外，两个部分声学路径S1a、S1b中的每个均通过流的中心区域和边缘区域二者。通过近似法，这还应用于其余部分声学路径。因此，在所有部分声学路径上，大体上相同的测量效果变得有效。整体信号的结果为单个部分声学路径S1a、S1b上部分信号的总和。在求和中，声音换能器孔径函数用作权重因数。声音换能器孔径函数描述灵敏度分布随换能器表面上的位置的变化。然而，由于相同的测量效果在所有部分声学路径上变得有效，因此在该装置中，声音换能器孔径函数对整体测量效果没有影响。因此，测量效果，即，声音的渡越时间由于流而发生的变化，相对独立于流动剖面和声音换能器孔径函数。在图3中，示出了声音换能器对T1的整个波前的部分声学路径。测量管的截面的均匀声学辐射变得清晰。
明显的是，根据该现有技术的装置的流体力学校准因数KF很大程度上但不完全独立于流动剖面以及雷诺数。声学路径S1上流体力学校准因数KF对雷诺数Re的依赖性在下文将被称为KF1（Re）。
图4a至图4d和图5a至图5d示出了关于测量管M在声音换能器对T2的平面中的截面的方案。除了布置在基部1上的声音换能器对T1，还在邻接的侧部2或3或二者上安装了另一声音换能器对T2。在图4中，示出了测量管M在由超声换能器T2a和T2b组成的声音换能器对T2的平面中的截面，以反射布置示出了投射到声音换能器对T2的平面中的声学路径S2。在该情况下，声学路径S2从超声换能器T2a延伸至相对侧部并在管的内壁上反射后到达超声换能器T2b。图5中示出了用于实现声学路径S2的另一种可能性，其中，看到测量管在具有布置在邻接基部1的两个侧部2、3上的两个超声换能器T2a和T2b的超声换能器对T2的平面中的截面以及成直射布置的投射到声音换能器对T2的平面中的声学路径S2。因此，除了声学路径S1，还实现了另一声学路径S2。这样实现的声学路径S2仅覆盖流动剖面的一部分。这些声学路径上有效的流体力学校准因数KF2（Re）与声学路径S1上有效的校准因数相比很大程度上取决于雷诺数Re，特别是在层流和湍流之间的渡越区内的雷诺数。
根据本发明的具有两个声学路径S1和S2的布置结构能校正声学路径上剩下的雷诺数依赖性。为此目的，在测量换能器中，在测量换能器的算术逻辑单元中保存了用两个声学路径S1、S2测量的平均流速VL1、VL2（声学路径上的平均流速VL对应于路径速度）的校准因数KF1与比K_VL之间的关系。这可以以多对值的表的形式进行。更有利的是用函数KF1（K_VL）估计关系。
在第一声学路径S1上确定的平均第一流速VL1大约表示流动剖面的面积平均值，因此很大程度上独立于雷诺数Re和剖面不对称性。通过第二声学路径S2，优选地利用中心测量路径。中心测量路径受剖面不对称性的影响远小于分散测量路径。因此，该布置在测量管的入口不需要对称剖面。
根据在第一和第二声学路径S1、S2上确定的平均流速VL1、VL2的比K_VL估计流体力学校准因数KF1。
K_VL=VL1/VL2 等式（4）
为此目的，在测量换能器中保存了流体力学校准因数KF1和比K_VL的关系，或者是作为多对值的表，或者是函数KF1（K_VL）。
另外，根据比K_VL可以确定雷诺数Re。为此目的，在测量换能器中保存了雷诺数Re和比K_VL的关系，或者是作为多对值的表，或者是函数Re（K_VL）。
根据雷诺数Re，还可以经由下述关系计算黏度vis
vis = VA * Di /Re等式（5）
在该关系中，Di是测量管的当量内径，其是根据测量管的截面A计算得到的。
Di=4*A/Pi的平方根
在图6中，示出了用于实现声学路径S2的另一种有利可能性。为此目的，位于基部1对面、在位于基部1对面的侧部4、5之间的顶点已被设计成被平坦化并且构成反射器6。安装在测量管M的基部1上的声换能器对T2将声音从基部1传输至反射器6并返回基部1。
根据图7的布置结构特别简单，相应地不贵。位于基部1对面、在位于基部1对面的侧部4、5之间的顶点已被设计成被平坦化并且构成反射器6。安装在测量管M的基部1上的声音换能器对T1将声音从基部1传输至反射器6并返回基部1。声音换能器对T1实现了第一声学路径S1，第一声学路径对应地在截面为五边形的测量管中延伸。第二声学路径S2在处于发射模式的在基部1上的外夹式超声换能器经由反射器6延伸至处于接收模式的在基部1上的外夹式超声换能器。超声换能器对T1传输的声音的一部分在声学路径S1上行进，而较小部分在声学路径S2上行进。声学路径S2上的信号比声学路径S1上的信号明显早到达接收换能器，这是因为声学路径长度较短，因此两个信号可以彼此区分。
VL – 声学路径上的平均流速= VL – 路径平均值
S1、S2、S – 声学路径=从发射器到接收器的所有事物
Δt – 渡越时间的差
tl – 流体中的渡越时间分数
Ka – 在工厂确定的传感器常数
Q – 流量
A – 管的截面面积
KF – 流体力学校准因数
KF1 – 声学路径1上的流体力学校准因数
VA – 流速的面积平均值，VA – 流速
Re – 雷诺数
KF1（Re） – 声学路径S1上流体力学校准因数KF对雷诺数Re的依赖性
KF2（Re） – 声学路径S2上的取决于雷诺数的有效流体力学校准因数
K_VL – 比
vis – 黏度
M – 测量管
T1 – 第一声音换能器对（现有技术）
T1a – 第一声音换能器对T1的超声换能器a
T1b – 第一声音换能器对T1的超声换能器b
T2 – 第二声音换能器对
T2a – 第二声音换能器对T2的超声换能器a
T2b – 第二声音换能器对T2的超声换能器b
P 本发明的声音换能器
S1 – 声音换能器对T1的声学路径
S2 – 声音换能器对T2的声学路径
1 基部
2、3 邻接基部1的侧部
4、5 位于基部1对面的侧部
6 反射器

Claims (7)

1.一种用于用声音换能器对(T1)进行超声流测量的装置，所述声音换能器对由以发射模式运行的一个外夹式超声换能器和以接收模式运行的一个外夹式超声换能器组成，其中，气态或液态介质流动通过的测量管(M)的截面大致为五边形，具有基部(1)、并具有各自均以直角邻接的侧部(2，3)、以及具有与上述侧部邻接并位于所述基部对面、以小于180°的角度围封的侧部(4，5)，其中，声音换能器对(T1)布置在所述基部(1)上，用于生成第一声学路径(S1)的目的，其特征在于，
位于所述基部(1)对面、在位于所述基部(1)对面的侧部(4，5)之间的顶点已被平坦化并且构成反射器(6)，使得布置在所述基部(1)上的声音换能器对(T1)实现所述第一声学路径(S1)和第二声学路径(S2)，所述第二声学路径从处于所述发射模式的外夹式超声换能器经由所述反射器(6)延伸至处于所述接收模式的外夹式超声换能器。
2.一种使用具有声音换能器对(T1)的装置进行超声流测量的方法，所述声音换能器对由以发射模式运行的一个外夹式超声换能器和以接收模式运行的一个外夹式超声换能器组成，其中，气态或液态介质流动通过的测量管(M)的截面大致为五边形，具有基部(1)、并具有各自均以直角邻接的侧部(2，3)、以及具有与上述侧部邻接并位于所述基部对面、以小于180°的角度围封的侧部(4，5)，其中，声音换能器对(T1)布置在所述基部(1)上，用于生成第一声学路径(S1)的目的，其特征在于，
实现了第二声学路径(S2)，所述第二声学路径从位于所述基部(1)上的处于所述发射模式的外夹式超声换能器经由反射器(6)延伸至位于所述基部(1)上的处于所述接收模式的所述外夹式超声换能器，所述反射器由位于所述基部(1)对面的平坦化顶点构成，并且其中，测量发射器的算术逻辑单元中已保存有函数F_Re(K_VL)，所述函数表示随下述比变化的雷诺数(Re)，所述比为在所述第一声学路径(S1)上确定的平均第一流速(VL1)与在所述第二声学路径(S2)上确定的平均第二流速(VL2)的比K_VL。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
对于所述第一声学路径(S1)，已保存有函数KF1(Re)，所述函数KF1(Re)表示随所述雷诺数(Re)变化的下述比：随所述雷诺数(Re)变化的比为所述测量管(M)中的流的面积平均值与在所述第一声学路径(S1)上确定的所述流速(VL1)的比。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
已实施一算法，所述算法用函数F_Re(K_VL)根据在所述第一声学路径和所述第二声学路径上确定的所述流速(VL1，VL2)计算所述雷诺数(Re)并因此根据Q＝KF1*A*Vl计算流体力学校准系数KF1(Re)和流量(Q)。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于
根据所述雷诺数(Re)、经由函数vis＝VA*Di/Re计算黏度(vis)。
6.一种使用具有声音换能器对(T1)的装置进行超声流测量的方法，所述声音换能器对由以发射模式运行的一个外夹式超声换能器和以接收模式运行的一个外夹式超声换能器组成，其中，气态或液态介质流动通过的测量管(M)的截面大致为五边形，具有基部(1)、并具有各自均以直角邻接的侧部(2，3)、以及具有与上述侧部邻接并位于所述基部对面、以小于180°的角度围封的侧部(4，5)，其中，声音换能器对(T1)布置在所述基部(1)上，用于生成第一声学路径(S1)的目的，其特征在于
实现了第二声学路径(S2)，所述第二声学路径从位于所述基部(1)上的处于所述发射模式的外夹式超声换能器经由反射器(6)延伸至位于所述基部(1)上的处于所述接收模式的外夹式超声换能器，所述反射器由位于所述基部(1)对面的平坦化顶点构成，并且其中，测量发射器的算术逻辑单元中已保存有函数KF1(K_VL)，所述函数表示随下述比变化的流体力学校准系数(KF1)，所述比为在所述第一声学路径(S1)上确定的第一流速(VL1)与在所述第二声学路径(S2)上确定的第二流速(VL2)的比(K_VL)。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，
算法用所述函数KF1(K_VL)根据在所述第一声学路径和所述第二声学路径(S1，S2)上确定的所述流速(VL1，VL2)计算所述流体力学校准系数(KF1)，并依据Q＝KF1*A*VI计算流量(Q)。
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