CN111527411A - 测量通过盘旋式输送机的气流的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种全向风速计和一种使用所述风速计测量沿输送路径的气流的方法，所述输送路径例如是通过处理腔室的螺旋路径。所述风速计是具有最小的气流闭塞结构的低剖面全向三轴线风速计。由于所述风速计的低剖面，所述风速计可适合于具有较小层间距的盘旋式输送机。

Description

测量通过盘旋式输送机的气流的设备和方法

背景技术

本发明一般涉及气流的测量，且具体地，涉及测量通过盘旋式输送机的气流的设备和方法。

在盘旋式输送机中，围绕中心滚筒以螺旋路径驱动输送带。由于螺旋路径包含围绕滚筒的许多层或环绕，因此带较长，但与等长线性路径上的带相比，螺旋路径的带所局限于的空间更为紧凑。盘旋式输送机空间紧凑并且占地面积小，这使它们在冷冻机、炊具、发酵器和其他处理腔室的使用中颇受欢迎。但盘旋式输送机的紧凑会影响冷却或加热空气通过带的流动，并且产品在沿螺旋路径行进期间会经受特殊的热处理。气流还会影响产品热处理的质量。通过合理地放置风扇，调节风扇方向和速度获得最优的气流，可对产品进行均匀或适宜的热处理。

使用风速计测量气流。超声风速计，例如美国密歇根州特拉弗斯市的R.M.Young公司制造和销售的81000V型超声风速计，使用三对超声换能器，从飞行时间开始以三个维度测量每一对的换能器之间的超声脉冲的气流。换能器安装在某一结构上，所述结构在某些方向上遮挡的气流远多于其他方向。因此，风速计并不是均匀全向的。

发明内容

体现本发明特征的一种测量气流的超声风速计的一个形式包括至少一对相对的超声换能器，所述超声换能器由限定中心开放区域的基座支撑。相对的超声换能器通过公共空间沿多条传输路径相互传输和接收超声脉冲，所述多条传输路径在所述公共空间内部的一点处相交，所述中心开放区域通向所述公共空间。每一对的第一超声换能器设置在距基座第一距离处，并且每一对的第二超声换能器设置在距基座小于第一距离的第二距离处。

一种测量气流的超声风速计的另一形式包括限定中心开放区域的基座和在间隔开的位置由所述基座支撑的三对相对的超声换能器。每一对的超声换能器通过公共空间沿传输路径相互传输和接收超声脉冲，所述传输路径与其他两对的传输路径在所述公共空间内部的一点处相交，所述中心开放区域通向所述公共空间。每一对的第一超声换能器以距基座的第一距离安装到基座，并且每一对的第二超声换能器以距基座小于第一距离的第二距离安装到基座。

体现本发明特征的一种测量通过腔室内盘旋式输送机的气流的方法包括：(a)将气流测量装置放置在盘旋式输送带的输送表面上，所述盘旋式输送带沿腔室内盘旋式输送机向上或向下的螺旋路径输送所述气流测量装置；(b)当气流测量装置沿螺旋路径随盘旋式输送带前进时，用气流测量装置进行周期性的气流测量；以及(c)记录或显示周期性的气流测量值，或进行这两者。

附图说明

图1是体现本发明特征的低剖面超声风速计的等距视图。

图2是如图1中的风速计在盘旋式输送带上的透视图。

图3是图1的风速计的电力系统的框图。

图4是示出由三对换能器中的一对进行的超声脉冲双向传输的时序图。

图5是表示笛卡尔坐标和球面坐标的气流速度矢量的图。

图6是可与图3中的风速计系统一起使用的显示系统的框图。

图7A和7B示出超声脉冲的折射如何影响成对传输器的最小仰角。

图8是能够确定沿多个传输路径的飞行时间的超声风速计的另一形式的等距视图，外壳示出为部分打开。

图9A是可以由图6的显示系统显示的气流对比方位角显示的实例，图9B是可由图6的显示系统显示的气流对比仰角和方位角的3D图的实例。

具体实施方式

图1示出体现本发明特征的超声风速计。风速计10具有限定中心开放区域14的细环形基座12。基座12具有顶部13和相对的底部15，并且形成窄带。替代如图所示的圆环形，基座12可以是椭圆形的或其他弯曲的，或者可以是多边形。替代如图所示的环形带，基座12可以是分段式的。三个基座换能器支架16A、16B、16C在基座12的顶部15向上成角度地延伸。换能器支架16A-C示出为围绕基座每120°等距间隔开。但是它们不一定等距间隔开。超声换能器A1、B1、C1安装在对应的支架16A、16B、16C中。换能器A1、B1、C1分别位于距基座12第一距离处。在此实例中，三个换能器A1、B1、C1距基座的距离相同。但它们可位于距基座12的不同距离处。并且，在此实例中，换能器A1、B1、C1的传输轴线都从基座12向上倾斜相同的角度。

每个基座换能器A1、B1、C1与对应的上部换能器A2、B2、C2配对。上部换能器A2、B2、C2与基座换能器A1、B1、C1在直径上相对，并且升高到基座换能器A1、B1、C1上方距基座12的距离比到下部基座换能器更远处。上部换能器A2、B2、C2安装在上部换能器支架17A、17B、17C中。换能器支架位于细弯臂18A、18B、18C的远侧末端处，所述细弯臂从基座12的近端向上延伸。在此实例中，C形臂18A、18B、18C从基座12向外弯曲，然后在其远端向内弯回，但是其他臂形状也是可能的。类似于基座换能器A1、B1、C1，上部换能器A2、B2、C2每120°等距间隔。上部和下部换能器支架16A-C、17A-C将每一对换能器定向为成角度地面向上或面向下，以使它们的传输轴线重合，并为每一对换能器限定传输路径20A、20B、20C。每个换能器沿其传输路径20A、20B、20C向其成对的换能器传输超声脉冲并从其成对的换能器接收超声脉冲。三个传输路径20A-C在换能器A1-C1、A2-C2之间的公共空间24中间的点P处相交。图1中三个传输路径相互正交以获得最佳的全向结果，但也可以不是正交的。基座12的开放区域14通向公共空间24。细臂18A-C和具有充分开放区域14的细而窄的底座12通过最小化阻挡气流的结构元素，使风速计具有更均匀的全向性。为稳定上部换能器支架17A-C，可在示出的周向相邻换能器之间提供可选的稳定部件22。

臂18A-C是中空的，以容纳连接到上部换能器A2-C2的电线。臂18A-C中的空洞通向基座12的底部15中的通道(未示出)。通道形成电缆线，用于上部和下部换能器A1-C1、A2-C2的电线的延伸。电线连接到电子设备外壳26中的电子电路，所述电子设备外壳向基座12的外部延伸。外壳26尤其容纳用于换能器的驱动器和传输/接收开关。电缆通道可通往基座的底部15，或可由底部封闭。例如，电子设备外壳26沿其与基座12相交的径向对称轴线任意限定风速计轴线28，所述风速仪轴线可用作将风速仪10定向在输送带上的参考，其中轴线28平行于输送带的输送方向。风速仪轴线26还可用于限定3-D笛卡尔坐标系，其中x轴平行于风速计轴26，y轴正交于与底座12的平面平行的平面中的x轴，而竖直z轴垂直于x-y平面。

图2示出冷冻机、发酵器、炊具或其他腔室32中的盘旋式输送机30。盘旋式输送机30包含具有从底部38延伸到顶部39的圆柱形外周36的驱动塔34或滚筒。平行驱动部件40在长度上沿驱动滚筒34的外周36从底部38延伸到顶部39。驱动部件40从外周36径向向外延伸。一对平行的耐磨条42(仅示出外部耐磨条)安装到层支撑44上，围绕驱动滚筒34形成螺旋传送道。所述螺旋传送道围绕驱动滚筒34的外周36限定多层螺旋路径，用于支撑在耐磨条42上的侧弯输送带46。如图2所示，驱动滚筒34被驱动以在平行于驱动部件40的段的竖直轴线48上旋转。但驱动部件可以替代地以倾斜于竖直轴线48的角度平行布置。驱动部件40正面接合输送带46的内边缘以沿螺旋路径驱动输送带。在此实例中，盘旋式输送机30是上行盘旋，输送带46在底部38的传送道的入口端50进入螺旋路径，在顶部39的出口端52离开螺旋路径。在下行盘旋中，入口端在顶部39，而出口端在底部38。离开盘旋式输送机30的输送带46在回到入口端50时绕过收紧链轮(未示出)和返回辊54。驱动滚筒34和收紧链轮常规上由电机(未示出)驱动。其他盘旋式输送机，例如低张力盘旋式输送机，其中输送带由比输送带速度更快地旋转的过驱动的驱动滚筒以摩擦方式驱动，或由驱动链轮驱动的盘旋式输送机而不是驱动滚筒可在腔室32内使用以实现小的输送机占据面积。示出风速计10位于输送带46上，以测量沿螺旋路径通过盘旋式输送机30的气流。由于各层可互相靠近，因此风速计必须具有低剖面。对于具有短层间距的堆叠器盘旋式输送带尤其如此。从风速计的基座12的底部15到上部换能器A2-C2的距离，即风速计的高度，小于5厘米以用于短间距螺旋上。

影响超声风速计10的设计的另一个因素是超声脉冲的折射。如图7A所示，每个换能器支架16在靠近下部换能器A1的阴影区108中阻挡气流。声脉冲在阴影区108的空气中以声速c传播。当脉冲离开阴影区并以入射角θ₁的角度沿传输路径20进入阴影的气流时，传输路径上的风速变化使超声脉冲以折射角θ₂折射，并且所述脉冲的一部分以等于入射角的反射角反射。折射角θ₂随风速增大。如图7B所示，产生90°折射角θ₂的入射角θ₁是临界角θ_C。当入射角θ₁小于临界角θ_C时，反射所有超声脉冲的能量。入射角θ₁和折射角θ₂以及两个区域中的脉冲的速度v₁和v₂有关，为

在临界角θ_C，折射角θ₂＝90°且sinθ₂＝1。因为阴影区108中的脉冲的速度为v₁＝c，并且在非阴影区内的气流的速度为v₂＝c+v，其中v是风速，所以sinθ_C＝c/(c+v)，或θ_C＝sin^-1[c/(c+v)]。当遇到的最大风速或气流为v_max，临界角可计算为θ_C＝sin^-1[c/(c+v_max)]。例如，如果v_max＝30m/s且c＝315m/s，则θ_C≈66°。在这种情况下，从风速计的基座的平面110测量的传输路径20的仰角θ_E必须为24°或更大，以确保不反射所有超声脉冲且不传输到接收换能器A2。因此，风速计必须构造成使传输路径的仰角θ_E比将遇到的最大风速v_max的临界角θ_C的余角大。

图3示出超声风速计的电气系统的框图。三对超声换能器A1/A2、B1/B2和C1/C2连接到传输/接收(T/R)开关56，例如，Microchip HV2605型高压模拟开关，每次最多将一个换能器连接到传输信道58。T/R开关56还选择性地将换能器中的一个连接到接收信道60。传输信道58中的传输驱动器62将传输脉冲升高到用于换能器的适当电平。接收信道60包含低噪声前置放大器66，其后是用于升高接收脉冲的电平的可编程增益放大器68。T/R开关56和放大器在控制和电源线70上由电源和控制电路72控制和供电。除换能器外，其他组件可以是分散的，也可整合在一个装置中以实现紧凑性。除换能器外，所有组件都容纳在图1的外壳26中。外壳上的连接器74与电缆线76的一端配合，所述电缆线的另一端连接到处理器模块80中的连接器78。

处理器模块80包含可编程处理器82，可编程处理器82包含都由电池86供电的程序和数据存储器83和模数转换器(ADC)84。连接到外壳26中的电路的处理器模块80在输送带上与风速计一起行进。执行存储在程序存储器83中的程序步骤的处理器82在传输线88上产生传输脉冲，所述传输线通过电缆线76连接到外壳26中的传输驱动器62的输入。由换能器接收并由外壳26中的放大器66、68放大的脉冲通过电缆线76路由到ADC 84。ADC 84将接收的模拟脉冲转换为数字值，所述数字值通过接收数据线90发送到处理器。处理器82通过一条或多条控制线92控制T/R开关56的操作，所述控制线由电缆线76连接到外壳中的控制电路72。来自电池86的电力也通过电缆线76提供到电源电路72。

图4参照图3的换能器对之一示出超声风速计的双向传输的操作。处理器82通过向T/R开关发送推荐控制信号92'来开始循环，在此实例中，将第一下部换能器A1连接到传输信道58，并将其成对的上部换能器A2连接到接收信道60。同时，处理器82启动计时器，并且将传输脉冲94发送到传输驱动器62和换能器A1。成对的换能器A2随后接收传输的超声脉冲作为衰减脉冲94'。处理器82通过相关技术对由接收信道60中的ADC 84转换的数字值进行操作，以检测放大的接收脉冲94"并从计时器确定其飞行时间t₁₂。每个换能器的接收脉冲的先前存储的波形模板与接收脉冲互相关以确定飞行时间，所述飞行时间记录在数据存储器83中。可替代地使用其他接收器方案。例如，在交叉光谱功率频谱变换的共振频率下测量相位时延将得到飞行时间。作为另一个实例，可在直接测量飞行时间时使用接收脉冲的振幅阈值。在换能器A2接收到脉冲之后，处理器82通过首先命令T/R开关56将换能器A1连接到接收信道60且将换能器A2连接传输信道58来开始从换能器A2到换能器A1的反向脉冲传输。循环以与从A1到A2的传输相同的方式继续，以检测从换能器A2到换能器A1的飞行时间t₂₁。反向传输的开始可以是接收到第一脉冲后的固定时间，也可以是传输第一脉冲后的固定时间。随后对其他换能器对B1/B2和C1/C2重复相同的双向传输循环。

飞行时间测量不返回接收脉冲的开始，而是返回相关度峰值的时间。但因为已知一对换能器之间的距离，所以可针对给定的温度计算理论飞行时间。在先前的校准中在给定温度下校准飞行时间测量值，并且不使用气流确定校准飞行时间。理论飞行时间与校准飞行时间之间的差是应用于操作的飞行时间测量值的校准偏移量。每个换能器的校准偏移量保存在存储器中。

沿传输路径的气流影响飞行时间。图4描绘将沿传输路径的气流从下部换能器A1引向上部换能器A2的情况。换句话说，换能器A1在换能器A2的上游。在这种情况下，从A1到A2的飞行时间t₁₂小于从A2到A1的飞行时间t₂₁。飞行时间之差，ΔTOF＝t₂₁-t₁₂，与沿传播路径的风速v的关系为v≈(ΔTOF·c²)/2d，其中c是空气中的声速，d是一对换能器A1、A2之间的距离。沿传输路径的风速v的方向由ΔTOF的正负号得出。

一旦处理器82已计算出每个传输路径(图1中的20A、20B、20C)的飞行时间TOF_A12、TOF_A21、TOF_B12、TOF_B21、TOF_C12、TOF_C21，处理器随后进行坐标系旋转，将风速计的三个传输路径定义的A-B-C轴上的分量转换为图1的x-y-z参考系96，并且计算x-y-z参考系96中的气流速度v_x、v_y、v_z。所述计算是描述为V＝A^-1·M的矩阵计算，其中

如图5所示，d_A是换能器A1和A2之间的距离，d_B是换能器B1和B2之间的距离，d_C是换能器C1和C2之间的距离，θ_A是从x轴到传输路径20A的方位角，θ_B是从x轴到传输路径20B的方位角，θ_C是从x轴到传输路径20C的方位角，φ_A是从z轴到传输路径20A的仰角，φ_B是从z轴到传输路径20B的仰角，而φ_C是从z轴到传输路径20C的仰角。因为输送机的螺旋路径从水平方向倾斜，所以若风速计的x轴如图1所定义在输送方向上与输送带对齐，y轴与驱动滚筒的旋转轴线径向对齐，则x-y-z坐标系绕y轴有效旋转。然后，以所述倾斜角度调整气流速度分量v_x和v_z，使x-y-z速度分量参考竖直X-Y-Z参考系，其中Z轴为真正的竖直轴线。一旦计算出气流速度分量v_x、v_y、v_z，并在X-Y-Z参考系中转换为v_X、v_Y、v_Z分量，在先前了解输送带速度的情况下，处理器82将X和Y轴上的v_X和v_Y值转换为固定的参考系，X和Y轴随输送带在螺旋路径上前进而不断旋转。这三个坐标系的转换可依序进行，或可在从A-B-C系到固定参考系的一个坐标系旋转中完成。最终气流速度分量和中间计算以及飞行时间都可记录在计算机的存储器83或USB驱动器85中。根据存储的数据可生成沿盘旋式输送机的螺旋路径的气流图。

在典型的操作中，盘旋式输送带进入盘旋后，将风速计10放置在输送带上。风速计绕向出口时会以选定的速率连续测量气流，例如每秒八次。在风速计到达盘旋的出口前，将其从输送带上移除。一旦将风速计从输送带上移除，处理器模块80就可以连接到离线显示器98，以显示三个分量以及如图6所示沿螺旋路径在腔室32中的气流总量对比时间(图2)，或如图9A所示对比任何水平面中或在螺旋路径的任何层上的方位角。任何时候风速计的方位角位置都可根据输送带速度、螺旋路径长度和从已知方位角参考位置开始经过的时间来确定。方位角的参考位置可通过风速计上的或与风速计一起行进的位置传感器来设置，所述位置传感器在输送机系的参考位置处感应标记。带有光学传感器的可见标记和带有磁传感器的磁体标记是可检测到参考位置的两种方式。获得近似参考位置的另一种方法是了解螺旋路径的布局以及已知最大气流沿螺旋路径的位置。随后气流信号中的峰值对时间或方位角将对应于最大气流位置，并且连续峰值之间的气流信号表示螺旋路径一层上的沿螺旋路径的气流。如图9B所示，也可将气流显示为方位角和仰角的函数，以产生气流的3D图。如图6中，显示器98可通过例如键盘100的用户输入装置耦合在远程或本地计算机99中。输入装置100可用于设置各种操作参数，例如输送带速度、螺旋路径的倾斜角度和测量循环速率。计算机99和处理器82之间的连接102可以是硬连线的，或可以是无线通信链路。从显示器上，操作员可确定沿螺旋路径的气流模式，并适当地布置和调整风扇106和挡板，以获得通过所输送产品的更均匀或更适宜的气流。或者，计算机99可取决于气流测量值自动控制风扇的速度。也可将测量数据以及中间和最终计算出的数据从USB驱动器85下载到可移动闪存卡104中，进行离线分析。

图8示出另一形式的超声风速计。替代如图1中具有三对固定的超声换能器，此风速计112具有单对相对的换能器T1和T2，限定通过中心公共空间116的传输路径114。两个换能器T1、T2以到基座不同的距离安装到基座118。下部换能器T1比上部换能器T2更靠近基座118，上部换能器T2安装在从基座向上延伸的臂119的端部。基座118具有中心开放区域120，所述中心开放区域通向风速计的中心空间116。基座118的中心开放区域120以内齿轮齿122为界。容纳在外壳126中的小齿轮124与基座的齿轮齿122啮合以旋转基座116。小齿轮124由外壳126中的双向步进式电机128驱动。齿轮齿122、小齿轮124和电机128构成用于沿选定的传输路径移动单对换能器以测量飞行时间的移动构件。通过这种方式，单对换能器T1、T2可测量沿多个传输路径的飞行时间。并且，由于仅使用一对换能器，对气流的结构干扰很小。

尽管已就气流测量装置的特定形式(即超声风速计)描述了本发明，但也可使用其他气流测量装置在输送带上行进。实例包含激光多普勒风速计、恒温风速计、机械风速计和皮托管。

Claims (21)

1.一种测量气流的超声风速计，其包括：

基座，所述基座限定中心开放区域；

由所述基座支撑的至少一对相对的超声换能器，其中：

所述至少一对相对的超声换能器通过公共空间沿多条传输路径相互传输和接收超声脉冲，所述多条传输路径在所述公共空间内部的一点处相交，所述中心开放区域通向所述公共空间；并且

所述至少一对中的每一对的第一超声换能器设置在距所述基座第一距离处，并且所述至少一对中的每一对的第二超声换能器设置在距所述基座小于所述第一距离的第二距离处。

2.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述至少一对相对的超声换能器包括三对固定的风速计，限定三条相互正交的传输路径。

3.根据权利要求1所述的超声换能器，其中所述至少一对相对的超声换能器包括单对相对的超声换能器，和用于移动所述单对以限定所述多个传输路径中的不同传输路径的移动构件。

4.根据权利要求3所述的超声换能器，其中所述移动构件包括电机和耦合到所述基座以使所述基座和所述单对超声换能器旋转的齿轮。

5.一种测量气流的超声风速计，其包括：

基座，所述基座限定中心开放区域；

在间隔开的位置由所述基座支撑的三对相对的超声换能器，其中：

每一对超声换能器通过公共空间沿传输路径传输和接收超声脉冲，所述传输路径与其他两对的传输路径在所述公共空间内部的一点处相交，所述中心开放区域通向所述公共空间；并且

每一对的第一超声换能器以距所述基座的第一距离安装到所述基座，且所述对的第二超声换能器以距所述基座小于所述第一距离的第二距离安装到所述基座。

6.根据权利要求5所述的超声风速计，其中所述基座为环形。

7.根据权利要求5所述的超声换能器，其中从所述基座到所述第一超声换能器的所述第一距离小于5cm。

8.根据权利要求5所述的超声风速计，其另外包括连接在所述第一超声换能器之间的稳定部件。

9.根据权利要求5所述的超声风速计，其包括三个臂，所述三个臂从所述基座上的间隔开的位置延伸到安装有所述第一超声换能器的远端。

10.根据权利要求5所述的超声风速计，其包括从所述基座延伸并容纳电子电路的外壳，所述电子电路包含传输/接收开关，所述传输/接收开关成对地选择性连接所述第一和第二超声换能器以传输或接收脉冲。

11.根据权利要求5所述的超声风速计，其包括处理器，所述处理器测量沿每个传输路径在相反方向上传输的超声脉冲的飞行时间，并根据沿每个传输路径在相反方向上的飞行时间之间的差来计算沿每个传输路径的气流速度的分量。

12.根据权利要求11所述的超声风速计，其中所述处理器通过坐标系旋转将沿所述传输路径的气流速度的分量转换为沿静止参考系的气流速度的分量。

13.根据权利要求5所述的超声风速计，其中所述传输路径的仰角大于将遇到的气流的最大速度的临界角的余角。

14.一种测量通过腔室内盘旋式输送机的气流的方法，所述方法包括：

将气流测量装置放置在盘旋式输送带的输送表面上，所述盘旋式输送带沿腔室内盘旋式输送机向上或向下的螺旋路径输送所述气流测量装置；

当所述气流测量装置沿所述螺旋路径随所述盘旋式输送带前进时，用所述气流测量装置进行周期性的气流测量；

记录或显示周期性的气流测量值，或进行这两者。

15.根据权利要求14所述的方法，其包括显示周期性气流测量值对比所述风速计的时间或方位角。

16.根据权利要求15所述的方法，其包括显示所述周期性气流测量值对比所述风速计沿所述螺旋路径的方位角和高度。

17.根据权利要求14所述的方法，其包括产生沿所述螺旋路径的气流的图。

18.根据权利要求14所述的方法，其中所述气流测量装置是超声风速计。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述气流测量装置测量沿三条轴线的气流。

20.根据权利要求14所述的方法，其包括当所述气流测量装置在所述螺旋路径的出口端时，从所述盘旋式输送带移除所述气流测量装置。

21.根据权利要求14所述的方法，其包括通过根据所述气流测量值调节风扇速度来控制所述气流。

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