CN112204358A

CN112204358A - 超声波计量装置

Info

Publication number: CN112204358A
Application number: CN201980036480.8A
Authority: CN
Inventors: 本·戴维; 查理·帕特森
Original assignee: Sentec Ltd
Current assignee: Sentec Ltd
Priority date: 2018-05-31
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2021-01-08
Also published as: US11650087B2; ZA202006934B; EP3803284A1; AU2019278790B2; US20210080302A1; GB201808918D0; IL279043B1; WO2019229409A1; IL279043A; AU2019278790A1

Abstract

描述了一种用于测量流体的流量的超声波计量装置(28)。超声波计量装置(28)包括用于流体的流管(5)。流管(5)沿着第一轴线(6)在第一开口(7)与第二开口(8)之间延伸。超声波计量装置(28)还包括一对或多对超声波换能器(2、3)。每对超声波换能器(2、3)被构造成限定在流管(5)的测量区域(12)内与流管(5)相交的对应的波束路径(9)。测量区域(12)跨越在沿第一轴线(6)间隔开的第一位置(z₁)与第二位置(z₂)之间。测量区域(12)的处在一个或多个波束路径(9)中的任一个之外的一个或多个部分对应于非采样体积(12b)。超声波计量装置(28)还包括沿第一轴线(6)延伸的一个或多个突出部(34)。每个突出部(34)的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个非采样体积(12b)的至少一部分。

Description

超声波计量装置

技术领域

本发明涉及超声波流量(flow rate，流速)计量装置。

背景技术

已经构造了超声波流量计量装置，其基于测量渡越时间(time-of-flight)来测量液体或气体的流速。有时，一对超声波换能器布置在具有已知长度的流管的相对端。

可替代地，一对超声波换能器可以沿着流管的长度间隔开一定距离布置，该超声波换能器与流管成角度地布置，使得超声波可以通过从流管的内壁或反射器反射而在该对超声波换能器之间通过。通过获得与液体或气体流动方向一致或相反的超声波换能器之间的渡越时间测量值，可以获得与液体或气体的流速有关的差。

仅一部分的液体或气体(以下两者均应包含在术语“流体”中)通过超声波束。因此，所测量的流速表示在由超声波束采样体积的平均值。为了将这样的平均流速转换为流体质量流量，例如允许计量流体，必须假定流体的速度曲线。当流体沿着横截面均匀的管道的直段流动时，在流动足够长的距离后，通过管道的速度曲线将趋近于可预测的曲线。因此，当超声波计量装置安装在长、直管段中或长、直的管段上时，假定速度曲线的方法可以相当好地工作。然而，超声波计量装置上游的诸如弯曲部、收缩部、阀、泵等的特征可能导致管道中的速度曲线偏离预期的曲线，从而降低超声波计量装置的精度。由于可能无法获得的足够长、直的管段，超声波流量计量装置的精度和/或可能的安装位置可能受到限制。

用于改善速度曲线的可预测性的一种方法是将一个或多个流动调节设备器放置在超声波计量装置的上游(有时也在下游)。例如，EP 1775 560 A2描述了一种超声波流量计量装置，该超声波计量装置包括流动通道、超声波换能器和用于去除或减少诸如旋流的流动干扰的整流器。所述整流器包括至少第一和第二整流装置，所述第一和第二整流装置沿流动方向以给定的扭转角度反向扭曲。“流量调节和对流体流量测量精度的影响(Flowconditio ning and effects on accuracy for fluid flow measurement)”、B.D.Sawchuc k,D.P.Sawchuck,D.A.Sawchuk、美国气体测量技术学院，2010，第1页-第9页，描述了流量调节器的测试结果。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于测量流体的流量的超声波计量装置。超声波计量装置包括用于流体的流管。流管沿着第一轴线在第一开口和第二开口之间延伸。超声波计量装置还包括一对或多对超声波换能器。每对超声波换能器被构造成限定在流管的测量区域内与流管相交的对应的波束路径。测量区域跨越在沿着第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间。测量区域的处在一个或多个波束路径中的任一个之外的一个或多个部分对应于非采样体积。超声波计量装置还包括沿着第一轴线延伸的一个或多个突出部。每个突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个非采样体积的至少一部分。

每个波束路径可以具有平行于第一轴的分量。每个波束路径可具有横向于第一轴线的分量。在一些示例中，一个或多个波束路径可不平行于流动轴线。测量区域可以对应于由流管的第一位置、第二位置和一个或多个内表面界定的体积。

每个突出部可以被构造为将流体流重新引导出一个或多个非采样体积的至少一部分并通过一个或多个波束路径。每个突出部可以被构造为增加与一个或多个波束路径相交的流体的质量分数(mass fraction)。与波束路径相交可意味着穿过该波束路径。与除了省略一个或多个突出部之外、其余均相同的超声波计量装置相比，质量分数可以得以增加。与一个或多个波束路径相交的流体质量分数可被定义单位时间内通过一个或多个波束路径的流体质量除以单位时间内通过第一开口(或第二开口)进入(或离开)流管的流体质量。每个突出部可以延伸到垂直于第一轴线的流管中。

流管可被构造成使得穿过流管的流体的平均流动矢量在整个测量区域中保持基本上平行于第一轴线。基本上平行可以表示在第一轴线的±5度内，或者在第一轴线的±10度内。可以通过在垂直于第一轴线的流管的横截面上对与流体速度相对应的矢量场进行平均来针对沿着第一轴线的每个点计算平均流动矢量。

一对或多对超声波换能器可以布置在所述流管外部。第一开口可通过第一导管连接到流体的第一入口/出口。第一导管可遵循在第一开口与第一入口/出口之间的直的路径。第一导管可遵循在第一开口与第一入口/出口之间的弯曲和/或分支路径。第一导管可以是超声波计量装置的一部分。第一导管可以与超声波计量装置分离。第二开口可通过第二导管连接到流体的第二入口/出口。第二导管可遵循在第二开口与第二入口/出口之间的直的路径。第一导管可遵循在第二开口与第二入口/出口之间的弯曲和/或分支路径。第二导管可以是超声波计量装置的一部分。第二导管可以与超声波计量装置分离。

至少一个突出部可以沿着第一轴线延伸跨越测量区域的距离。

每个突出部可以沿着第一轴线延伸跨越测量区域的距离。至少一个突出部可以平行于第一轴线延伸。每个突出部可以平行于第一轴线延伸。至少一个突出部可以沿着第一轴线延伸，而不平行于第一轴线。每个突出部可以沿着第一轴线延伸，而不平行于第一轴线。

在进入测量区域之前，沿着流管从第一开口朝向第二开口移动的流体可以遇到至少一个突出部。在进入测量区域之前，沿着流管从第一开口朝向第二开口移动的流体可能遇到每个突出部。在进入测量区域之前，沿着流管从第二开口朝向第一开口移动的流体可以遇到至少一个突出部。在进入测量区域之前，沿着流管从第二开口朝向第一开口移动的流体可以遇到每个突出部。

平行于第一轴线的距离可以通过坐标z来参数化，并且测量区域可以跨越在第一位置z₁与第二位置z₂之间。

至少一个突出部可在小于或等于z的第一坐标z_a和大于或等于z₂的第二坐标z_b之间延伸。每个突出部可以在小于或等于z₂的第一坐标z_a和大于或等于z₂的第二坐标z_b之间延伸。

对于至少一个突出部，垂直于第一轴线的突出部的横截面积可以随着沿第一轴线的位置而变化。垂直于第一轴线的每个突出部的横截面积可以随着沿第一轴线的位置而变化。

对于至少一个突出部，突出部在垂直于第一轴线的平面中的横截面形状可以随着沿第一轴线的位置而变化。在垂直于第一轴线的平面中的每个突出部的横截面形状可以随着沿第一轴线的位置而变化。

对于至少一个突出部，垂直于第一轴线的突出部的高度可以随着沿第一轴线的位置而变化。突出部的高度可以是每个突出部从流管的外表面朝向流管的质心延伸的距离。垂直于第一轴线的每个突出部的高度可以随着沿第一轴线的位置而变化。

至少一个突出部可以关于测量区域的中点是对称的。至少一个突出部可以关于垂直于第一方向的平面对称，并且定位在第一位置和第二位置的中间。每个突出部可以关于测量区域的中点对称。每个突出部可以关于垂直于第一方向的平面对称，并且定位在第一位置和第二位置的中间。

至少一个突出部可以关于测量区域的中点是非对称的。至少一个突出部可以是关于垂直于第一方向的平面非对称的，并且被定位在第一位置和第二位置的中间。每个突出部可以关于测量区域的中点是非对称的。每个突出部可以关于垂直于第一方向的平面非对称，并且定位在第一位置和第二位置的中间。

一个或多个突出部可以与流管一体地形成。

当突出部与流管整体地形成时，与包括除了省略一个或多个突出部之外其余相同的流管的超声波计量装置相比，可以增加与一个或多个波束路径相交的质量分数。

插入件可固定在流管内。所述插入件可以限定包括一个或多个所述突出部中的至少一个突出部的通道。

通道可以包括所有的一个或多个突出部。垂直于第一轴线的通道的横截面积可以小于垂直于第一轴线的流管的横截面积。插入件可形成为单件。插入件可由连接在一起的两个或多于两个件形成。当突出部由插入件限定时，与包括除了省略一个或多个突出部之外其余相同的插入件的超声波计量装置相比，可以增加与一个或多个波束路径相交的质量分数。

插入件可以被构造为在插入件和流管的壁之间提供第二流路。第二流路可以被构造成使得在使用中通过通道的流体的第一质量分数可以大于通过第二流路的流体的第二质量分数。

所述第二流路可被构造为防止在使用所述超声波计量装置时流体停滞在所述插入件与所述流管的内表面之间的空间中。所述第二流路可以被构造为在使用所述超声波计量装置时减小所述插入件的限定一个或多个所述突出部的部分上的压力差。通过第二流路的流体质量分数可以小于1％。

至少一个波束路径可以包括至少一个反射。

至少一个波束路径可以包括来自反射板的至少一个反射。反射板可以包括金属或者由金属形成。至少一个波束路径可以包括来自限定突出部的插入件的表面的至少一个反射。至少一个波束路径可以包括来自流管的内表面的至少一个反射。每个波束路径可以包括至少一个反射。每个波束路径可以包括来自反射板的至少一个反射。每个波束路径可以包括来自限定突出部的插入件的表面的至少一个反射。每个波束路径可以包括来自流管的内表面的至少一个反射。

对于至少一个突出部，在沿着第一轴线从第一开口到第一位置的方向上，突出部在垂直于第一轴线的平面中的横截面积可以增加。

在第一开口处，至少一个突出部的横截面积可以为零。在沿着第一轴线从第一开口到第一位置的方向上，在垂直于第一轴线的平面中的每个突出部的横截面积可以增加。在第一开口处，每个突出部的横截面积可以为零。

对于至少一个突出部，在沿着第一轴线从第二开口到第二位置的方向上，在垂直于第一轴线的平面中的突出部的横截面积可以增加。

在第二开口处，至少一个突出部的横截面积可以为零。在沿着第一轴线从第二开口到第二位置的方向上，在垂直于第一轴线的平面中的每个突出部的横截面积可以增加。在第二开口处，每个突出部的横截面积可以为零。

在整个测量区域，每个突出部的横截面积可以基本上恒定。

对于至少一个突出部，在沿着第一轴线从第一开口到第一位置的方向上，垂直于第一轴线的突出部的高度可以增加。在第一开口处，至少一个突出部的高度可以为零。在沿着第一轴线从第一开口到第一位置的方向上，垂直于第一轴线的每个突出部的高度可以增加。在第一开口处，每个突出部的高度可以为零。

对于至少一个突出部，在沿着第一轴线从第二开口到第二位置的方向上，垂直于第一轴线的突出部的高度可以增加。在第二开口处，在至少一个突出部处的高度可以为零。在沿着第一轴线从第二开口到第二位置的方向上，垂直于第一轴线的每个突出部的高度可以增加。在第二开口处，每个突出部的高度可以为零。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于超声波计量装置的流管的插入件。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于超声波计量装置的插入件。超声波计量装置包括用于流体的流管。流管沿着第一轴线在第一开口和第二开口之间延伸。超声波计量装置包括一对或多对超声波换能器。每对超声波换能器被构造成限定在流管的测量区域内与流管相交的对应的波束路径。测量区域跨越在沿着第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间。测量区域的处在一个或多个波束路径中的任一个之外的一个或多个部分对应于非采样体积。插入件构造成可固定在流管内，使得插入件的至少一部分设置在测量区域内。所述插入件包括通道，所述通道被构造成当所述插入件固定在所述流管内时沿着所述第一轴线延伸。所述插入件还包括延伸到所述通道中的一个或多个突出部。当插入件固定在流管内时，每个突出部沿着第一轴线延伸，使得每个突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个非采样体积的至少一部分。

超声波计量装置和/或插入件可包括两个或多于两个突出部、三个或多于三个突出部、四个或多于四个突出部、六个或多于六个突出部、或八个或多于八个突出部。

在垂直于第一轴线的平面中的突出部的横截面形状可以是三角形、正方形、矩形、具有或不具有半径的齿轮齿、T形等。可以基于流体建模来确定在垂直于第一轴线的平面中的突出部的横截面形状，以对增大与一个或多个波束路径相交的流体质量分数和使超声波计量装置和/或插入件上的压降最小化之间的平衡进行优化。

一个或多个突出部可具有最大高度，该最大高度为流管的最大尺寸的至少10％、至少20％、至少30％、至少40％或至少50％或垂直于第一轴线的通道。

在垂直于第一轴线的平面中的一个或多个突出部可的最大横截面积为垂直于第一轴线的平面中的流管或通道的最大横截面积的至少5％、至少10％、至少15％、至少20％、至少30％、至少40％或至少50％。

一个或多个突出部可以与沿着第一轴线的长度的螺旋路径一致。每个突出部可以与沿着第一轴线的长度的螺旋路径一致。

超声波计量装置可包括一对超声波换能器、两对超声波换能器、或三个或多于三对超声波换能器。超声波计量装置可包括一个、两个、三个或多于三个反射器。反射器可以被构造为可安装到流管和/或插入件。

相邻突出部之间的间隔可足够大以用于超声波换能器及其相关联的接口部件。相邻突出部之间的间距可以至少足够大，以跨越在相邻的突出部之间穿过的波束路径的有效波束宽度。

根据本发明的第四方面，提供了一种改进用于测量流体的流量的超声波计量装置的方法。超声波计量装置包括用于流体的流管。流管沿着第一轴线在第一开口和第二开口之间延伸。超声波计量装置还包括一对或多对超声波换能器。每对超声波换能器被构造成限定在流管的测量区域内与流管相交的对应的波束路径。测量区域跨越沿着第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间。测量区域的处在一个或多个波束路径中的任一个之外的一个或多个部分对应于非采样体积。该方法包括将插入件固定在流管内，使得插入件的至少一部分设置在测量区域内。所述插入件包括通道，所述通道被构造成当所述插入件固定在所述流管内时沿着所述第一轴线延伸。所述插入件还包括延伸到所述通道中的一个或多个突出部。当插入件固定在流管内时，每个突出部沿着第一轴线延伸，使得每个突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个非采样体积的至少一部分。

插入件可以是如关于第一、第二或第三方面所描述的插入件。

该方法可包括对应于关于超声波计量装置的第一、第二或第三方面限定的任何特征的特征。

根据本发明的第五方面，提供了一种方法，该方法包括使用超声波计量装置和/或插入件来计量流体的流动。

流体可以是水。水可以是饮用水。水可以是废水。水可以是排水流失的。

流体可以是天然气。

根据本发明的第六方面，提供了一种用于测量流体的流量的超声波计量装置。超声波计量装置包括用于流体的流管。流管沿着第一轴线在第一开口和第二开口之间延伸。流管被构造成用于插入到流体管线中，使得流体管线的孔与流管对准。超声波计量装置包括三对超声波换能器。每对超声波换能器被构造成限定在流管的测量区域内与流管相交的对应的波束路径。测量区域跨越沿着第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间。测量区域的处在一个或多个波束路径中的任一个之外的一个或多个部分对应于非采样体积。三个波束路径中的每一个具有平行于第一轴线的分量和垂直于第一轴线的分量。垂直于第一轴线的每个波束路径的部件相对于垂直于第一轴线的第二轴线以0、120和240度的角度布置。超声波计量装置还包括六个突出部，每个突出部平行于第一轴线延伸并且延伸到流管中。每个突出部沿着第一轴线延伸跨越测量区域的距离。穿过测量区域的突出部相对于第二轴线以30、90、150、210、270和330度的角度围绕流管的周边布置。每个突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个非采样体积的至少一部分。

突出部可以与流管一体地形成。突出部可以形成为固定在流管内的插入件的一部分。每个波束路径可以包括来自反射板的反射。每个波束路径可以包括来自流管或插入件的表面的反射。

超声波计量装置可包括对应于关于第一至第四方面限定的任何特征的特征。

根据本发明的第七方面，提供了一种用于测量流体的流量的超声波计量装置。超声波计量装置包括用于流体的流管。流管沿着第一轴线在第一开口和第二开口之间延伸。流管被构造成用于插入到流体管线中，使得流体管线的孔与流管对准。所述超声波计量装置包括一对超声波换能器，所述一对超声波换能器被构造成限定在所述流管的测量区域内与所述流管相交的对应的波束路径。测量区域跨越在沿着第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间。测量区域的处在一个或多个波束路径中的任一个之外的一个或多个部分对应于非采样体积。波束路径具有平行于第一轴线的分量和垂直于第一轴线的分量。垂直于第一轴线的波束路径的部件对应于第二轴线。超声波计量装置还包括六个突出部，每个突出部平行于第一轴线延伸并且延伸到流管中。每个突出部沿着第一轴线延伸跨越测量区域的距离。穿过测量区域的突出部相对于第二轴线以30、90、150、210、270和330度的角度围绕流管的周边布置。每个突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个非采样体积的至少一部分。

突出部可以与流管一体地形成。突出部可以形成为固定在流管内的插入件的一部分。波束路径可以包括来自反射板的反射。波束路径可以包括来自流管或插入件的表面的反射。

附图说明

现在将参考附图通过示例的方式描述本发明的一些实施例，在附图中：

图1是示出了可用于理解本发明的超声波渡越时间流量计量装置的示意性横截面；

图2是示出可用于理解本发明的另一超声波渡越时间流量计量装置的示意性横截面；

图3示出了穿过流管的流速曲线；

图4是示出了流量调节装置的示意性端视图；

图5是示出了流量调节装置的效果的示意性横截面；

图6是示出了第一超声波计量装置的示意性横截面；

图7是示出了第二超声波计量装置的示意性横截面；

图8是示出了用于超声波计量装置的突出部的第一构造的示意性端视图；

图9是示出了第三超声波计量装置的示意性横截面；

图10是示出了包括插入件的第四超声波计量装置的示意性横截面；

图11是图10中所示的第四超声波计量装置的示意性端视图；

图12至17是示出用于超声波计量装置的突出部的第二至第八构造的示意性端视图；

图18是示出用于超声波计量装置的六边形镶片的示意性端视图；

图19A至19G示出了用于超声波计量装置的突出部的横截面形状的范围；

图20A至图26B示出了用于超声波计量装置的第一至第七波束路径类型，提供了每个波束路径类型的示意性横截面和端视图；

图27包括示出用于具有变化的横截面积的超声波计量装置的突出部的示意性横截面、端视图和投影；

图28包括示出用于具有变化的横截面形状的超声波计量装置的突出部的示意性横截面、端视图和投影；

图29是示出由间隙分开的用于超声波计量装置的一对子突出部的示意性横截面；

图30是示出用于超声波计量装置的非对称突出部的示意性横截面；

图31包括示出用于超声波计量装置的螺旋突出部的示意性横截面、端视图和投影；

图32至图37包括示出第五超声波计量装置的示意性横截面、端视图和投影；以及

图38至图40包括示出使用限定突出部的插入件来改造超声波计量装置的方法的示意性横截面和投影。

具体实施方式

在下文中，相同的部分由相同的附图标记表示。

参考图1，示出了用于测量流体的流量的超声波计量装置1。

超声波计量装置1可用于理解本发明。超声波计量装置1包括第一超声波换能器2和第二超声波换能器3。第一超声波换能器2和第二超声波换能器3沿着流管5的形式的流路4间隔开。流管5在第一开口7和第二开口8之间沿着第一轴线6(在图1中的z轴)延伸。术语“流管”既包括流体流动的体积又包括限定该体积一个或多个结构。例如，流管5通常可以采取管道的形式，该管道包围管道孔，流体可以通过该管道孔流过。然而，流管5不限于管道，并且可以采取能够容纳流路4的任何一个或多个结构的形式。第一换能器2和第二换能器3被构造成在第一超声波换能器2和第二超声波换能器3之间限定波束路径9，并且在平行于第一轴线6的方向上具有分量。

在图1所示的示例中，第一超声波换能器2和第二超声波换能器3相对于由流管5形成的流路4偏移并以±θ的角度朝向第一轴线6。两个超声波换能器2、3被布置为沿着第一轴线6间隔开并且在流管5的第一侧10上。波束路径9包括来自流管5的与第一侧10相对的第二侧11的反射。流管5可以包括单独的反射器46(图10)，或者可以一体地形成流管5的第二侧11以作为波束路径9的合适的反射器。超声波换能器2、3可以是压电换能器、螺线管换能器等。

波束路径9具有有限的横截面积，一般而言，波束路径9的横截面形状与第一换能器2和第二换能器3的形状相关。然而，波束路径9的有效面积通常表示总换能器2、3面积的一部分，因为发射的超声波的功率会朝向换能器2、3的中心聚集。用作接收器的换能器2、3的相对灵敏度也同样地越朝向中心越大。通常，发射的功率/灵敏度在整个换能器2、3的面上连续变化。波束路径9有效宽度w_b(或其它适当尺寸)可被定义为发射功率/灵敏度保持在阈值(例如最大值的一半)之上的宽度w_b。例如，换能器2、3可以是圆形的，并且波束路径9可以具有大于或等于换能器2、3的直径的1/3并且小于或等于换能器2、3的直径的有效直径w_b。在另一示例中，换能器2、3可为正方形或矩形，且波束路径9可具有正方形或矩形横截面，其边长w_b大于或等于换能器2、3的对应的边长的1/3且小于或等于换能器2、3的所述边长。在下文中，将参考有效波束路径9宽度w_b(或其他尺寸)而非换能器2、3尺寸，因为有效波束路径9宽度w_b更密切地与被采样的流体的体积相关。

波束路径9在流管的测量区域12内与流管5相交。测量区域12是由波束路径9采样的流管5的一部分。测量区域12跨越在沿着第一轴线6间隔开的第一位置z₁与第二位置z₂之间，并且具有沿着测量区域12的d＝z₂-z₁的长度，测量区域12的与一个或多个波束路径9的有效宽度w_b(或其他尺寸)相交的部分在下文中可被称为测量区域12的采样体积12a。位于任何波束路径9的有效宽度w_b(或其他尺寸)之外的测量区域的部分在下文中被称为测量区域12的非采样体积12b。如下文所讨论的，测量区域12的非采样体积12b无助于确定计算的流速u。

流管5通常在垂直于第一轴线6的平面上具有圆形横截面，但也可以具有其它形状，例如正方形、矩形、椭圆形等。在超声波计量装置1中，流管5是具有直径D的圆柱形，例如，流管5可以采取圆柱形管的形式。图1中的流路4示出了从第一开口7到第二开口8的流路4。在其他示例中，流路4可以从第二开口8引导至第一开口7。

超声波计量装置1还包括控制器13，其被构造为交替地驱动第一超声波换能器2和第二超声波换能器3。为了测量流量，控制器13可以驱动第一超声波换能器2并且基于在第二超声波换能器3处接收到的信号来测量第一渡越时间t₁。控制器13然后通过驱动第二超声波换能器3并在第一超声波换能器2处接收信号来测量第二渡越时间t₂。如果流管5中的流体(其可以是气体或液体)以速度u从第一开口7朝向第二开口8移动，其通常基本上沿着第一轴线6被引导，则当测量第一渡越时间t₁时，声音的总速度v₁为：

v₁＝c+u (1)

其中c是流体中的声音在流体静止的情况下的速度。同样，当测量第二渡越时间t₂时，总速度v₂为：

v₂＝c-u (2)

第一超声波换能器2和测量区域12之间以及第二超声波换能器3和测量区域12之间的传输时间是恒定的，因此差值Δt＝t₂-t₁取决于流管5中的平均速度u。以这种方式，控制器13可以确定流管5中的第一轴线6的方向上的平均速度u，因此通过假设流动全都平行于第一轴线6的来估计流量。在实践中，可以使用至少一个(优选地多个)通过流管5的流体的已知流量来校准超声波计量装置1。

然而，应当注意，计算的流速u是穿过波束路径9的流体的平均值。不通过波束路径9的任何流体都无助于平均速度u的测量。换句话说，通过至少一个采样体积12a的流体有助于测量平均速度u，而只经过非采样体积12b的流体无助于平均速度u的测量。

控制器13经由阻抗匹配电阻器R和第一开关或多路复用器15将驱动信号14输出到发射超声波换能器2、3。可控制第一开关15以向第一超声波换能器2或第二超声波换能器3提供驱动信号14。无论哪个超声波换能器2、3接收到驱动信号15，都是用于测量的发射超声波换能器。驱动信号15可以包括具有可变频率、占空比等的脉冲或方波波形。

超声波换能器2、3中没有接收到驱动信号14的任何一个都是用于测量的接收超声波换能器。接收超声波换能器2、3检测来自发射超声波换能器2、3的超声波信号，并将其转换成接收的电信号16。接收到的信号16经由第二开关或多路复用器17和信号调节电路18返回到控制器13。第一开关15和第二开关17被构造成使得当例如第一开关15连接到第一超声波换能器2时，第二开关17连接到第二超声波换能器3，反之亦然。信号调节电路18可以对所接收到的信号16进行放大和/或滤波，以产生条件信号19。控制器13被构造为确定渡越时间t₁、t₂。第一渡越时间和第二渡越时间的确定可以使用各种方法来进行。例如，控制器13可以通过将驱动信号14与条件信号19进行比较来确定渡越时间t₁、t₂。或者，控制器13可通过测量驱动信号14的开始与条件信号19上的参考点之间的时间，例如达到特定信号振幅或振荡的第m个零，m为正整数(计数m个周期)来确定渡越时间t₁、t₂。

控制器13可以是微控制器、微处理器或任何其他合适的数据处理装置。在一些示例中，控制器13、信号调节电路18以及第一和第二开关15、17可以全部集成到单个集成电路中，以便简化超声波计量装置1的电子器件。

如图1所示，第一超声波换能器2和第二超声波换能器3可以在流管5的外部。在这样的构造中，第一超声波换能器2和第二超声波换能器3可以使用阻抗匹配材料20连接到流管5，以增强超声波在流管5中的传输和/或从流管5传出。或者，第一和/或第二超声波换能器2、3可嵌入限定流管5的壁内或整体形成为限定流管5的壁的一部分。在其他示例中，第一和/或第二超声波换能器2可位于流管5内。

还参考图2，示出了可用于理解本发明的第二超声波计量装置21。图2中仅示出了波束路径9的质心。

除了第二超声波换能器3布置在流管5的第二侧11上，使得波束路径5不包括反射并且tan(θ₂)＝D/d以外，第二超声波计量装置21类似于第一超声波计量装置1。

如上所述，超声波计量装置1、21测量平均流体速度u，平均流体速度u仅取决于与波束路径9相交的流体。任何在至少一次不经过波束路径9的情况下穿过测量区域12(仅通过非采样体积12b)的流体无助于测量。与第二超声波计量装置21相比，在波束路径9中包括反射(如在第一超声波计量装置1中)可以延长波束路径9的长度。然而，一些流体仍不会与波束路径9相交。因此，在第一和第二超声波计量装置1、21中，仅测量经过采样体积12a的实际流体流的一部分。

所测量的平均速度u转换为流体质量流量取决于穿过流管5的假定速度u和已知横截面积。

例如，还参考图3，绘制了假定流速曲线22的示例。

示例性假定流速曲线22对应于圆柱形流管5并且由以下经验公式描述：

其中y是垂直于第一轴线6的相对于与第一/第二侧10、11的距离，u(y)是位置y处的局部流速，u*是由超声波计量装置1、21测量的平均流速，r是圆柱形流管5的半径，n是经验导出的指数。图3针对n＝10的值绘制垂直轴上的相对速度u(y)/u*与整个流管y/r的相对距离。

n的值将取决于超声波计量装置1、21和流体的各种特性，包括但不限于流量、温度、流体粘度和超声波计量装置1、21的几何形状。

存在多种用于校正超声波计量装置1、21中的流速曲线22的技术。一种选择是根据经验、理论或计算确定应用于流量的校正因子。另一种选择是以如下方式定位超声波束，使它们在一起时保持恒定并且与流动曲线无关。

然而，实际局部流速与假定局部流速u(y)的任何偏差都会给通过超声波计量装置1、21的流体质量流量的估计带来误差。当超声波计量装置1、21安装在长、直的管段中或直接在长、直的管段下游时，实际流速曲线可以相对接近于从使用流体动力学的经验测量和/或建模确定的假定流速曲线22。然而，在超声波计量装置1、21的上游或下游，靠近弯曲部、阀、泵、收缩部等将导致实际流速曲线与假定流速曲线22不同，从而降低了超声波计量装置1、21的精度。这种干扰难以预测，也可能因流量、温度等而变化。在实际安装中，可能不存在足够长、直的管段来供超声波计量装置1、21安装来确保精确的测量。

在化学工厂或制造工艺的背景下，对于工艺效率、工艺控制和/或安全性来说，准确了解多少流体沿着流管5流动/正在流动是重要的。在经济背景下，如果使用超声波计量装置1、21来计量从提供者供应给消费者的流体的量，则测量误差将导致消费者被多收费或提供者酬不抵劳。因此，人们希望提高超声波计量装置1、21的精度。

一种方法是增加更多对超声波换能器2、3，以便限定附加的波束路径9并且增加被采样的流体的比例。换句话说，为了增加采样体积12a与非采样体积12b的相对比例。然而，增加更多对超声波换能器2、3增加了超声波计量装置1、21的成本和复杂性，并且在测量区域12内总是存在一些未被任何波束路径9采样的残余的非采样体积12b。

提高超声波计量装置1、21的精度的另一种方法是将一个或多个流动调节设备23(图4)安装在超声波计量装置1、21的上游和/或下游。流动调节设备23(图4)用于迫使流速曲线成为已知的假定流速曲线。

还参考图4，示出了流动调节设备23的示例。

示例性流动调节设备23包括圆柱形主体24，其尺寸设计成装配在整个圆柱形流管5，并且包括允许流体流动的多个通孔25。

还参考图5，示出了通过流动调节设备23并且在流动调节设备23的下游的流体的流动。

当流体被迫通过流动调节设备23时，射流26从每个通孔25流出。当流体继续沿着流管5流动时，射流26逐渐合并。在流动调节设备23之后的距离m.D，其中m是标量乘数m＞0，流体呈现稳定的流速曲线27。乘数m通常为约4或5的系数，即距离为圆柱形流管5的直径D的4或5倍。超声波计量装置1、21不能被放置得过于靠近流动调节设备23，因为在测量区域12上变化的流速曲线也会导致测量不准确。然而，如果超声波计量装置1、21放置在距离流动调节设备23至少m.D处，则可获得可重复的流速曲线。

在图4和图5中示出的流动调节设备23仅是一个示例，并且可以使用各种不同的结构，尽管它们都按照相似的原理工作。

尽管流动调节装置允许用于安装超声波计量装置1、21的位置具有更大的灵活性，但是仍然需要足够长、直的段以允许形成稳定的流速曲线27。另外，由于需要流动调节设备23来有效地重置流速曲线，所以对流动的显著影响是不可避免的，并且流过流动调节装置的压降可能是相当大的。流动调节设备23还可增加安装超声波计量装置1、21的复杂性，因为两个装置安装在两个不同位置处。一些应用的要求有可能禁止使用许多常见的流动调节设备23。例如，在可能夹带固体物质的流体中，如图4和图5中所示的流动调节设备23可能容易造成堵塞。

本说明书涉及超声波计量装置和/或用于的超声波计量装置插入件，其降低对流体的流速曲线的变化的灵敏度。根据本说明书的超声波计量装置和/或插入件可增加超声波计量装置的安装位置范围同时提供准确的测量。与流动调节设备23相比，根据本说明书的超声波计量装置和/或插入件可减小压降。

与诸如调节流量以提供可重复和可靠的假定流速曲线22的常规方法相反，本说明书不试图控制流速曲线。相反，本说明书描述了使用延伸进入/穿过流管5的测量区域12的突出部，以至少部分地阻止流体进入测量区域12的一个或多个非采样体积12b的至少一部分。以这种方式，流体可以从非采样体积12b被转移到采样体积12a、即进入波束路径9。以这种方式，可以相对增加被采样的流体的比例。在一些示例中，基本上所有的流体可被突出部重新引导通过一个或多个波束路径9。换句话说，可以使用突出部阻止流体进入基本上所有的非采样体积12b。通过将流体转移到波束路径9中以有助于测量平均速度u*，本发明不取决于假定流速曲线。因此，超声波计量装置对于由弯曲部、阀、收缩部、泵等引起的干扰的灵敏度可以降低。

第一超声波计量装置

参考图6，示出了用于测量流体的流量的第一超声波计量装置28。

第一超声波计量装置28包括沿着第一轴线6在第一开口7和第二开口8之间延伸的流管5。第一超声波计量装置28中的流管5由圆柱形管29的内表面限定，两端由凸缘30终止。圆柱形管29通过穿过圆柱形管29和管31、32的相应的凸缘30的螺栓33定位在第一管31和第二管32之间。圆柱形管29和管31、32之间的接合处包括衬垫(未示出)或其它密封装置以防止流体泄漏。流路4可以从第一开口7朝向第二开口8，反之亦然。

第一超声波计量装置28包括一对或多对第一超声波换能器2和第二超声波换能器3。波束路径9包括来自第二侧11、或来自安装在第二侧11内、之上或附近的反射元件的反射。在图6中示出了一对超声波换能器2、3，但是其他对的超声波换能器2、3可以在所示出的横截面之外的平面中进行取向以限定另外的波束路径9。每对超声波换能器2、3被构造为限定对应的波束路径9，波束路径9在测量区域12内与流管5相交，测量区域12跨越在沿着第一轴线6间隔开的第一位置z₁与第二位置z₂之间。通常，测量区域对应于由第一位置z₁、第二位置z₂和限定流管5的一个或多个内表面10、11界定的体积。通常，第一位置z₁是在从第一开口7到第二开口8的方向上移动的波束路径9首先进入流管5的点。类似地，第二位置z₂是在从第二开口8到第一开口7的方向上移动的波束路径9首先进入流管5的点。

波束路径9具有有限的有效横截面积(例如直径w_b的圆)。每个波束路径9包括平行于第一轴线6的分量，并且可以包括与横向(垂直)于第一轴线6的分量。在一些示例中，波束路径可不平行于第一轴线6，即每个波束路径将包括横向(垂直)于第一轴线6的分量。波束路径9的有效横截面积限定了如上所述的采样体积12a和非采样体积12b。

通常，第一超声波计量装置28的流管5和超声波换能器2、3可以与常规超声波计量装置1、21中的相同。第一超声波计量装置28的主要区别在于增加了沿第一轴线6延伸的一个或多个突出部34。每个突出部34的至少一部分被布置成阻止流体进入来自测量区域12的一个或多个非采样体积12b的至少一部分。以这种方式，每个突出部34被构造为将流体从非采样体积12b重新引导通过一个或多个波束路径9(采样体积12a)。

表达突出部34的效果的另一种方式是每个突出部34用于增大与一个或多个波束路径9相交(穿过)的流体质量分数。与除了省略突出部34以外与第一超声波计量装置28相同的超声波计量装置(未示出)相比，质量分数增加。与一个或多个波束路径9相交的流体质量分数可被定义为单位时间内穿过一个或多个波束路径9的流体质量除以单位时间经由第一或第二开口7、8进入(或离开)流管5的流体质量。

流管5构造成使得穿过流管5的流体的平均流动矢量在整个测量区域12中基本上平行于第一轴线6。基本上平行可以表示在第一轴线6的±5度内，或在第一轴线6的±10度内。可以通过在垂直于第一轴线6的流管5的横截面上对与流体速度u相对应的矢量场进行平均来计算沿着第一轴线6的每个点的平均流动矢量。换句话说，流体沿着流管5的流动基本上是直的，并且不包括起伏、曲线、弯曲等。流体沿着流管5的流动可包括绕第一轴线6的旋转和/或扭转。

第一超声波计量装置28的电子器件13、15、17、18与传统的超声波计量装置1大致相同，不再显示。另外，控制器13、开关15、17和信号调节电路18可集成到单个封装中。电子器件13、15、17、18可以使用一个或多个微控制器、微处理器、计算设备、现场可编程门阵列或在自动化测量和控制领域中已知的其他合适的方式来实现。电子器件13、15、17、18可以使用单个专用集成电路来实现。超声波计量装置28还可以包括显示器(未示出)，用于指示测量的流体的流量、自上次读数和/或自安装以来通过的流体总体积等。

超声波计量装置28还可包括通信接口(未示出)，用于输出流量、自上次读数和/或自安装以来通过的流体总体积等。通信接口(未示出)可以支持FlexNet(RTM)。通信接口可以支持到本地有线或无线网络的无线连接。通信接口(未示出)可以支持到移动通信网络的无线连接。超声波计量装置28可以使用通信接口(未示出)来将流量和/或流体体积的测量值传送到远程终端(未示出)和/或远程服务器(未显示)。超声波计量装置28可由市电或一个或多个电池供电。超声波计量装置28可以包括能量收集元件，例如一个或多个光伏电池、热电偶或适用于特定安装位置的其它能量收集元件。

第二超声波计量装置

还参考图7，示出了第二超声波计量装置35。

除了波束路径9不包含反射以外，第二超声波计量装置量器35与第一超声波计量装置量器28相同。图7(以及随后的图)中仅示出了波束路径9的质心。

突出部的第一构造

还参照图8，示出了突出部34和波束路径9的第一构造36。

第一构造36包括三对超声波换能器2、3和围绕流管5的周边分布的六个突出部34。第一对超声波换能器2a、3a在流管5的相对侧上间隔开以限定第一波束路径9a，该第一波束路径9a具有平行于与第一轴线6、z垂直的第二方向x的横向分量。超声波换能器2a、3a仍然沿着第一轴线6间隔开，使得第一波束路径9a具有沿第一轴线6的用于测量流量的纵向分量。第二对超声波换能器2b、3b在流管5的相对侧上间隔开以限定具有横向分量的第二波束路径9b，该横向分量与第二方向x形成60度的角度。超声波换能器2b、3b仍然沿着第一轴线6间隔开，使得第二波束路径9b具有沿着第一轴线6的用于测量流量的纵向分量。第三对超声波换能器2c、3c在流管5的相对侧上间隔开以限定具有横向分量的第三波束路径9c，该横向分量与第二方向x成120度的角度并与第二波束路径9b的横向分量成60度的角度。超声波换能器2c、3c仍然沿着第一轴线6间隔开，使得第三波束路径9c具有沿第一轴线6的用于测量流量的纵向分量。

突出部34具有延伸到流管5中的大致三角形的横截面，并且相对于第二方向x以大约30、90、150、210、270和330度的角度间隔开。以这种方式，波束路径9a、9b、9b位于突出部之间的空间中。突出部34之间的间隙的宽度w_b大致对应于波束路径9a、9b、9c的有效宽度w_b。波束路径9a、9b、9c的有效宽度w_b通常小于换能器2、3的物理宽度。以这种方式，通过阻止流体流进入波束路径9a、9b、9c之间的非采样体积12b，突出部34可以用于将流过流管5的基本上所有流体重新引导通过波束路径9a、9b、9c。因此，使用第一、第二和第三波束路径9a、9b、9c测量的平均速度u*可以基本采样所有的流体流。这可以允许在不需要假定流过流管4的流速曲线22的情况下估计质量流量。以这种方式，可以减少超声波计量装置28、35对于流动干扰的灵敏度。另外，由于突出部34只需要将流体从非采样体积12b转移到波束路径9中，因此流过突出部的压降可小于流动调节设备23的压降。

此外，由于突出部34使流管5的中心区域开放，超声波计量装置28、35比流动调节设备23更能够防止堵塞。

第一构造36可以用于第二超声波计量装置35的突出部34和波束路径9。或者，通过将反射结合到三个波束路径9a、9b、9c中的每一个，第一构造36可容易地适用于第一超声波计量装置28的突出部34和波束路径9。

第一和第二超声波计量装置28、35已经以圆柱形管29形式的流管5示出，该圆柱形管29串联地插在第一管道31和第二管道32之间。然而，这种布置不是必需的，并且通常流管5可以采取相对短的、直的段的形式，其具有任何横截面形状并且潜在地具有紧邻上游和/或下游的弯曲部、阀、泵或其它流动干扰特征。

第三超声波计量装置

还参考图9，示出了第三超声波计量装置37。

流管5由直的段38限定，其中通过第一导管40在第一开口7和第一入口/出口39之间连接并且通过第二导管42在第二开口8与第二入口/出口41之间连接，除此之外，第三超声波计量装置37与第一或第二超声波计量装置28、35相同。

第一和第二导管40、42可包括直的、弯曲的或分支的路径部分。第一导管40和第二导管42的任何特征将不会显著地影响第三超声波计量装置37的操作，因为突出部34被设计成提供对于流动干扰的显著抗扰性。第一和第二导管40、42可以是第三超声波计量装置37的一体部分。例如，第三超声波计量装置37可对应于采用虹吸布置的气量计，其中第一入口/出口39和第二入口/出口41连接到较大的气体管道。可替代地，在其他示例中，第一导管40和第二导管42可以是单独的管道或连接到第三超声波计量装置37的其他部件，示出了根据本说明书的由超声波计量装置28、35、37实现的安装位置的灵活性。

第三超声波计量装置37可以使用突出部34和波束路径9的第一构造36。

在第一、第二和第三超声波计量装置28、35、37中，突出部34被示出为直接从流管5的内壁延伸到流管5中。例如，突出部34可以直接粘合或附接在流管5内，或者一体地形成为流管5的一部分。在突出部34附接到或形成为流管5的一部分的示例中，相对于包括流管5的除了突出部34被省略外其余部分相同的超声波计量装置而言，突出部34作用为增加与一个或多个波束路径9相交的流体的质量分数。

然而，在一些示例中，突出部34可以替代地安装到固定于流管5内的插入件44(图10)或整体形成为插入件44(图10)的一部分。

第四超声波计量装置和插入件

还参考图10和图11，示出了包括插入件44的第四超声波计量装置43。

插入件44包括通道45，并且突出部34附接到插入件44或形成为插入件44的一部分。插入件44固定在流管5内，使得突出部34位于测量区域12内或至少部分地位于测量区域12内。当安装插入件时，每个突出部34用作阻止流体流进入一个或多个非采样体积12b的至少一部分，以便使流体移动通过波束路径9。通道45可以相对于流管5略微收缩。这样的收缩优选地被最小化，以避免通过第四超声波计量装置43的不必要的压降。

插入件44可以形成为单件，或者插入件44可以由连接在一起的两个或多于两个件形成。以两个或多于两个件制造插入件44可以简化限定突出部34的结构的生产。当突出部34由插入件44限定时，与包括除了省略一个或多个突出部34之外其余相同的插入件44的超声波计量装置43相比，可以增加与一个或多个波束路径9相交的流体的质量分数。

在第四超声波计量装置43中，所有突出部34附接到插入件44或形成为插入件44的一部分。然而，在替代示例中，一些突出部34可附接到插入件44(或形成为插入件44的一部分)，而其它突出部34可附接到流管5(或形成为流管5的一部分)。

在波束路径9中的一个或多个包括反射的情况下，插入件44可以包括对应的反射器46。可替代地，插入件44可以被构造为允许来自一个或多个反射面的内部反射。

插入件44已经被描述为包括通道45。然而，在一些示例中，插入件44可以仅部分地限定通道44。例如，插入件可以仅部分地围绕流管5的周边延伸，使得通道44部分地由插入件44限定并且部分地由流管5的内表面限定。

波束路径和突出部的替代构造

第一构造36仅是布置突出部34的一个示例，以便阻止流体进入一个或多个非采样体积12b的至少一部分，从而使流体偏转到一个或多个波束路径9中。显而易见，突出部34的几何形状取决于任何给定应用中的波束路径9的布置，因为波束路径9限定测量区域12的非采样体积12b。

还参照图12，示出了对应于单个突出部48的第二构造47。

第二构造47包括具有大致三角形横截面的单个突出部48，其中一侧被流管5的弯曲部截断。波束路径9是具有第一横向部分49a和第二横向部分49b的双弦路径(two-chordpath)(也参见图26A和26B)。波束路径9还具有平行于第一轴线6的分量-在图12中绘制的路径是在流管5的横截面上的投影。第一横向部分49a沿着弦到流管5的圆形截面。第二横向部分49b也沿着弦到流管5的圆形截面，并且在反射点50处与第一横向部分49a接触。反射点50可以采取诸如金属板的反射器的形式，或者可以是来自流管5或插入件44的材料的内部反射。反射点50位于单个突出部48的对面。以这种方式，波束路径9、49a、49b在从突出部48的另一侧向下反射之前沿着突出部48的一侧。

第二构造47的突出部48具有阻止流体进入一个或多个非采样体积12b的至少一部分并且将该流体转移到波束路径9、49a、49b中的效果，由此增加由波束路径9、49a、49b采样的流体质量分数。第二构造47可以用在第一、第二、第三或第四超声波计量装置28、35、37、43中的任一个中。

还参照图13A，示出了对应于两个突出部52的第三构造51。

该对突出部52布置在流管5的相对侧上，并且具有大致梯形的横截面，长的平行侧被流管5的弯曲部截断。波束路径9包括直地穿过突出部52之间的流管5的中间的横向分量。如果波束路径9平行于第二方向x，那么突出部相对于第二方向x以90度和270度的角度布置。波束路径9的有效波束宽度w_b可基本上等于突出部52到波束路径9的任一侧的间隔。波束路径9可以不包括反射(也参见图7、20A和20B)、包括一次反射(也参见图6、21A、21B)、两次反射、三次反射(也参见图25A、25B)或甚至更多的反射。图13A中所示的波束路径9是在流管5的横截面上的投影，并且波束路径9还具有平行于第一轴线6的分量。

第三构造51的突出部52具有阻止流体进入一个或多个非采样体积12b的至少一部分并且将该流体转移到波束路径9、49a、49b中的效果，由此增加由波束路径9、49a、49b采样的流体质量分数。第三构造51可以用在第一、第二、第三或第四超声波计量装置28、35、37、43中的任一个中。

还参照图13B，示出了对应于两个突出部54的第四构造53。

该对突出部54布置在流管5的相对侧上，并且具有大致矩形的横截面，其中一侧由流管5的弯曲部截断。限定了两个波束路径9，第一波束路径55a和第二波束路径55b。两个波束路径55a、55b具有平行于突出部54之间的线延伸的横向分量。第一波束路径55a穿过突出部54的一侧，并且第二波束路径55b穿过突出部54的另一侧。波束路径55a、55b可以不包括反射(也参见图7、20A和20B)、包括一次反射(也参见图6、21A、21B)、两次反射、三次反射(也参见图25A、25B)或甚至更多的反射。在图13B中示出的波束路径55a、55b是在流管5的横截面上的投影，并且每个波束路径55a、55b还具有平行于第一轴线6的分量。

第四构造53的突出部54具有阻止流体进入一个或多个非采样体积12b的至少一部分并且将该流体转移到波束路径9、55a、55b中的效果，由此增加由波束路径9、55a、55b所采样的流体质量分数。第四构造53可以用在第一、第二、第三或第四超声波计量装置28、35、37、43中的任一个中。

还参考图14，示出了对应于三个突出部57的第五构造56。

每个突出部57具有大致三角形的横截面，其中一侧由流管5的弯曲部截断。三个突出部57以120度的间隔围绕流管5的圆形周边间隔开。例如，在相对于第二方向x的30、150度和270度的角度。波束路径9形成三弦反弹构造(也参见图23A和23B)，包括第一、第二和第三横向路径部分58a、58b、58c。横向路径部分58a、58b、58c形成等边三角形，其中对应于换能器2、3或反射器46的顶点位于突出部57之间的空间的中点处的。在图14中示出的波束路径9、58a、58b、58c是在流管5的横截面上的投影，并且波束路径9、58a、58b、58c还具有平行于第一轴线6的分量。

可替代地，第一横向路径部分58a、第二横向路径部分58b和第三横向路径部分58c中的每一个可以对应于包括一次、两次、三次或更多次反射的单独的波束路径9。

第五构造56的突出部57具有阻止液体进入来自一个或多个非采样体积12b的至少一部分并且将该流体转移到波束路径9、58a、58b、58c中的效果，从而增加由波束路径9、58a、58b、58c采样的流体质量分数。第五构造56可用于第一、第二、第三或第四超声波计量装置28、35、37、43中的任一个中。

还参照图15，示出了对应于四个突出部60的第六构造59。

每个突出部60具有大致三角形的横截面，其中一侧由流管5的弯曲部截断。四个突出部57以90度的间隔围绕流管5的圆形周边间隔开。例如，相对于第二方向x的45、135、225和315度的角度。限定了两个波束路径61a、61b。第一波束路径61a延伸穿过流管5的中间，并且在突出部60之间的相对的一对空间的中间。第二波束路径61b延伸穿过流管5的中间，垂直于第一波束路径61a，并且在突出部60之间的相对的一对空间的中间。例如，如图15所示，第一波束路径61a可以平行于第二方向x延伸，并且第二波束路径61b可以平行于与第二方向x和第一轴线6、z垂直的第三方向Y延伸。相邻突出部60之间的间距可等于波束路径61a、61b的有效宽度w_b。波束路径61a、61b可以不包括反射(也参见图7、20A和20B)、包括一次反射(也参见图6、21A、21B)、两次反射、三次反射(也参见图25A、25B)或甚至更多的反射。在图15中示出的波束路径61a、61b是在流管5的横截面上的突出部，并且每个波束路径61a、61b还具有平行于第一轴线6的分量。

第六构造59的突出部60具有阻止流体进入一个或多个非采样体积12b的至少一部分并且将该流体转移到波束路径61a、61b中的效果，从而增加由波束路径61a、61b采样的流体质量分数。第六构造59可用于第一、第二、第三或第四超声波计量装置28、35、37、43中的任一个中。

还参照图16，示出了对应于六个突出部63的第七构造62。

每个突出部63具有大致三角形的横截面，其中一侧由流管5的弯曲部截断。六个突出部63以60度的间隔围绕流管5的圆形周边间隔开。例如，在相对于第二方向x的0、60、120、180、240和300度的角度处。限定了一对波束路径64a、64b，每个波束路径64a、64b形成类似于第五构造56的三弦反弹构造(还参见图23A和23B)。波束路径64a、64b中的每一个形成等边三角形，其中对应于换能器2、3或反射器46的顶点位于突出部63之间的空间的中点处。举例来说，第一波束路径64a可具有相对于第二方向x呈30、150及270度的角度的顶点，且第二波束路径64b可具有相对于第二方向x呈90、210及330度的角度的顶点。在图16中示出的波束路径64a、64b是在流管5的横截面上的投影，并且每个波束路径64a、64b还具有平行于第一轴线6的分量。

或者，第一波束路径64a和第二波束路径64b的每一侧(弦)可对应于包括一次、两次、三次或更多次反射的单独波束路径9。

第七构造62的突出部6阻止流体进入一个或多个非采样体积12b的至少一部分并且将该流体转移到波束路径64a、64b中的效果，从而增加由波束路径64a、64b采样的流体质量分数。第六构造62可用于第一、第二、第三或第四超声波计量装置28、35、37、43中的任一个中。

还参考图17，示出了对应于八个突出部66的第八构造65。

每个突出部66具有大致三角形的横截面，其中一侧由流管5的弯曲部截断。八个突出部66以45度的间隔围绕流管5的圆形周边间隔开。例如，相对于第二方向x，以22.5、67.5、112.5、157.5、202.5、247.5、292.5和337.5度的角度。限定了四个波束路径67a、67b、67c、67d，所有这些都穿过流管5的质心，并且在突出部66之间的相对的一对空间的中间。例如，第一波束路径67a可平行于第二方向x延伸，第二波束路径67b可相对于第二方向x以45度和225度的角度在周边上的点之间延伸，第三波束路径67c可相对于第二方向x以90度和270度的角度在周边上的点之间延伸，并且第四波束路径可以相对于第二方向x以135度和315度的角度在周边上的点之间延伸。相邻突出部66之间的间距可等于波束路径67a、67b、67c、67d的宽度w_b。波束路径67a、67b、67c、67d可以不包括反射(也参见图7、20A和20B)、包括一次反射(也参见图6、21A、21B)、两次反射、三次反射(也参见图25A、25B)或甚至更多的反射。在图17中示出的波束路径67a、67b、67c、67d被投影到流管5的横截面上，并且每个波束路径67a、67b、67c、67d还具有平行于第一轴线6的分量。

第八构造65的突出部66具有阻止流体进入一个或多个非采样体积12b的至少一部分并且将该流体转移到波束路径67a、67b、67c、67d中的效果，从而增加由波束路径67a、67b、67c、67d采样的流体质量分数。第八构造65可用于第一、第二、第三或第四超声波计量装置28、35、37、43中的任一个中。

第一至第八构造36、47、51、53、56、59、62、65中的任一个可使用附接到流管5或形成为流管5的一部分的突出部34来实现。同样地，第一至第八构造36、47、51、53、56、59、62、65中的任一个可以使用附接到插入件44或形成为插入件44的一部分的突出部34来实现。

尽管第一至第八构造36、47、51、53、56、59、62、65已经关于流管5或通过具有大致圆形周边的通道45进行了说明，但这不是必需的。在其它示例中，流管5可具有垂直于第一轴线6的横截面，所述横截面为正方形、矩形或任何其它规则或不规则形状。

例如，还参考图18，示出了固定在圆形流管5内的六边形插入件68的第一构造36的示例。

已经示出了三角形、梯形和矩形突出部34。然而，突出部34的横截面形状不受限制，并且通常可成形为阻止液体进入测量区域12的任何非采样体积12b的至少一部分。

例如，还参考图19A至19G，示出了突出部34的横截面形状的示例。

上文已经示出和描述了三角形突出部69。变型形状是圆角的三角形突出部70，其中延伸到流管5中的顶点可以被软化而弯曲以提供期望的流体流动特性。类似地，上文已经示出和描述了矩形突出部71，并且在一些示例中，延伸到流管5中的顶点可以被软化而弯曲以产生圆角的矩形突出部72。在上文中已经示出和描述了梯形突出部73，并且虽然未示出，但是延伸到流管5中的顶点可以被软化以类似于圆角的三角形或矩形突出部70、72的弯曲。其它可能的形状包括T形突出部74和倒T形突出部75，无论是圆角的还是非圆角的。

通常，突出部34在垂直于第一轴线6的平面中的横截面形状可以基于流体建模来确定，以对增加与一个或多个波束路径9相交的流体质量分数和使穿过超声波计量装置28、35、37、43和/或插入件44上的压降最小化之间的平衡进行优化。

波束路径

根据本说明书的超声波计量装置28、35、37、43可以被构造为使用任何合适的波束路径，包括但不限于以下描述的示例，其中的每一个均同样适用于具有或不具有插入件44的超声波计量装置28、35、37、43。

还参考图20A和图20B，示出了第一波束路径类型76。

第一波束路径类型76(也被描述为“横向”波束路径76)只是具有横向分量的直的路径，该横向分量在沿着第一轴线6观察时平分流管5或通道45的横截面。当垂直于第一轴线6观察时，横向波束路径76斜穿过测量区域12。如图7所示，第二超声波计量装置35包括横向波束路径76。

还参考图21A和21B，示出了第二波束路径类型77。

当沿着第一轴线6观察时，第二波束路径类型77(也被描述为“V形反弹”波束路径77)也具有平分流管5或通道45的横截面的横向分量。当垂直于第一轴线6观察时，V形反弹波束路径77包括测量区域12内的一次反射。如图6所示，第一超声波计量装置28包括V形反弹波束路径77。

还参考图22A和22B，示出了第三波束路径类型78。

第三波束路径类型78(也被描述为“平行”波束路径78)包括一对波束路径78a、78b。当沿第一轴线6观察时，第一波束路径78a和第二波束路径78b平行且间隔开。例如，当流管5或通道45具有大致圆形的横截面时为平行弦。当垂直于第一轴线6观察时，第一波束路径78a具有与横向波束路径76类似的形状，第二波束路径78b具有与包括单次反射的V形反弹波束路径77类似的形状。第四构造53使用平行路径波束类型78的示例。

还参考图23A和23B，示出了第四波束路径类型79。

第四波束路径类型79(也被描述为“三弦”波束路径79)包括三个不同的路径段80a、80b、80c。上文关于第五构造56简要描述了三弦波束路径58a、58b、58c。当沿第一轴线6观察时，第一、第二和第三路径段80a、80b、80c形成等边三角形。当垂直于第一轴线6观察时，第一、第二和第三路径段80a、80b、80c沿着第一轴线6延伸。总体上，三弦波束路径79的形状类似于螺旋，并且也可以被描述为三角形螺旋形状。

还参考图24A和24B，示出了第五波束路径类型81。

第五波束路径类型81(也被描述为“多路径”波束路径81)包括多个不同的波束路径81a、81b、81c，每个波束路径81a、81b、81c将流管5和/或通道45平分。当沿着第一轴线6观察时，多个波束路径81a、81b、81c等角度地间隔开。当垂直于第一轴线6观察时，多个波束路径81a、81b、81c可以是如图24B所示的V形反弹类型，或者多个波束路径81a、81b、81c可以是横向类型或横向和V形反弹的混合。

以上已经关于第一构造36描述了三束多路径9a、9b、9c的示例。类似地，第六构造59使用两束多路径布置，并且第八构造65使用四束多路径布置。

还参考图25A和图25B，示出了第六波束路径类型82。

当沿着第一轴线6观察时，第六波束路径类型82(也被描述为“W形反弹”波束路径82)具有平分流管5或通道45的横截面的横向分量。这类似于横向或V形反弹波束路径。当垂直于第一轴线6观察时，W形反弹波束路径82包括测量区域12内的三次反射。

在上文或下文中描述的任何示例通常可以使用横向波束路径76或V形反弹波束路径77来替代W形反弹波束路径82。

还参考图26A和26B，示出第七波束路径类型83。

除了仅包括一对弦以外，第七波束路径类型83(也被描述为“双弦”波束路径82)类似于三弦波束路径79。第二构造47使用双弦波束路径49a、49b。

只要适当选择突出部34构造36、47、51、53、56、59、62、65，第一至第七波束路径类型76、77、78、79、81、82、83可用于在第一至第四超声波计量装置28、35、37、43中的任一个。

突出部的共同特征和变化

超声波计量装置28、35、37、43可以用于测量流量和/或用于计量在特定时间段内已经通过超声波计量装置28、35、37、43的流体的量。流体可以是液体或气体。示例包括水、饮用水、废水、排水径流水、汽油、石油、天然气等。超声波计量装置28、35、37、43可以用于计量用于计量充注流体。

在上文所描述的示例中，每个突出部34沿着第一轴线6延伸至少跨越测量区域12的距离。然而，这不是必需的，并且在一些示例中，一个或多个突出部34可以仅部分地延伸跨越测量区域12的长度d(参见图29)。

在一些示例中，突出部34可以开始和结束于测量区域12。换句话说，突出部34可仅跨越在第一位置z₁与第二位置z₂之间。在其他示例中，突出部34可以朝向第一开口7(从z<z₁，到z＝z₂)、朝向第二开口8(从z＝z₁、到z>z₂)或朝向第一开口7和第二开口8两者(从z<z₁，到z>z₂)延伸。

在上述示例中，每个突出部34平行于第一轴线6延伸。然而，这不是必需的，并且在一些示例中，一个或多个突出部34可以沿着第一轴线6延伸，而不平行于第一轴线6(参见图31)。

除非另外说明，否则波束路径9可以包括一次、两次、三次或更多次反射。这些反射可以来自流管5和/或插入件44的内表面。反射可以来自附接至流管5和/或插入件44或与流管5和/或插入件44集成的反射器46。反射器46可以采用金属板的形式。

对于任何给定的应用，应使用能够承受内部压力并容纳流体的材料来限定流管5。流管5应当使用与待计量的流体化学相容的材料来限定，不管是固有地还是由于表面改性处理(诸如涂漆、阳极氧化或其它涂覆技术)。用于限定流管的合适材料可包括金属，特别是铜、钢或铸铁，或常用的工程塑料。

对于任何给定的应用，插入件44应由能够限定突出部的材料形成，所述突出部能够承受通道45和插入件44的外表面(面对流管的内表面)之间的压力差。插入件44应由与待计量的流体化学相容的材料形成，无论是固有地还是由于表面改性处理(例如喷涂、阳极氧化或其它涂覆技术)。用于形成插入件的合适材料可包括金属，尤其是铜、钢或铸铁，或常用的工程塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚苯硫醚(PPS)和/或聚甲醛(缩醛)。塑料材料可以用玻璃纤维、碳纤维和/或其它增强材料来增强，也可以不使用。

沿着一个或多个突出部34的高度、横截面积和/或横截面可以随着沿第一轴线的位置而变化。例如，再次参考图6和图10，突出部可以开始与流管5壁或插入件44齐平，然后随着接近测量区域12而增加高度。突出部34然后可在整个测量区域12保持恒定的高度。在一些示例中，具有沿着第一轴线6的两个或多于两个位置可以是有益的，在该两个或多于两个位置处，一个或多个突出部34具有最大高度和/或横截面积，例如在存在更多波束路径9并且在其他位置处具有减小的高度和/或横截面积的情况下。

在一些示例中，垂直于第一轴线6的至少一个突出部34的高度从第一开口7到第一位置z₁沿着第一轴线6的方向+z增加，这样的突出部34的高度在第一开口7处可以是零。在一些示例中，可以类似地构造所有突出部34。

在一些示例中，垂直于第一轴线6的至少一个突出部34的高度从第二开口8到第二位置z₂沿着第一轴线6的方向-z增加。在第二开口8处，这样的突出部34的高度可以为零。在一些示例中，可以类似地构造所有突出部34。

还参考图27，示出了具有沿第一轴线6的可变横截面积的突出部84的示例。

突出部84的横截面积随着沿着第一轴线6的位置而变化。在该示例中，横截面积变化而横截面形状保持一致。突出部84具有三个区段85a、85b、85c。第一区段85a的横截面积在第一开口7与测量区域12(第一位置z₁)之间稳定地增加，如在连续的横截面A-A、B-B和C-C中示出的。第二区段85b跨越测量区域12并且具有基本上恒定的横截面积。第三区段85c的横截面积在测量区域12(第二位置z₂)与第二开口8之间稳定地减小，与第一区段85a的变化呈镜像。

为了视觉清楚，在图27中仅示出了单个突出部84，然而，可以使用任何数量的突出部84。突出部84在插入件44的背景中示出，然而，一个或多个突出部84可以等同地附接至流管5或形成为流管5的一部分。

超声波计量装置28、35、37、43的一些或全部突出部34可以表现出横截面积的变化，同时横截面形状保持一致，类似于突出部84的方式。

还参考图28，示出了具有沿第一轴线6的可变横截面形状的突出部86的示例。

突出部86的横截面形状随着沿第一轴线6的位置而变化。在该示例中，横截面积随着横截面形状的变化而改变。在其他示例中，横截面形状可以变化同时横截面积保持基本上恒定。突出部86具有三个区段87a、87b、87c。第一区段87a的横截面形状在第一开口7与测量区域12(第一位置z₁)之间从截断的椭圆形朝向圆角的三角形逐渐变化，如连续横截面A-A、B-B和C-C所示，同时第一区段87a的横截面积也稳定地增加。第二区段87b跨越测量区域12并且具有基本上恒定的横截面形状和横截面积。第三区段87c的横截面形状在测量区域12(第二位置z₂)和第二开口8之间变化，与第一区段87a的变化呈镜像。第三区段87c的横截面积也稳定地朝向第二开口减小。

为了视觉清楚，在图28中仅示出了单个突出部86，然而，可以使用任何数量的突出部86。突出部86在插入件44的背景中示出，然而，一个或多个突出部86可以等同地附接至流管5或形成为流管5的一部分。

超声波计量装置28、35、37、43的一些或全部突出部34可以采取与突出部86类似的方式呈现横截面形状的变化。

示例包括在测量区域12上连续的具有一致的高度、横截面积和/或横截面形状的突出部34。然而，这不一定是这种情况。

例如，还参考图29，突出部34可以被分成由间隙89分离的第一和第二子突出部88a、88b。每个子突出部88a、88b可包括扩展的锥形区段91a，锥形区段91a具有变化的高度、横截面积和/或横截面形状。每个子突出部88a、88b可包括中间区段91b，中间区段91b具有基本上恒定的高度、横截面积和/或横截面形状。每个子突出部88a、88b可包括缩短的锥形区段91c，锥形区段91c具有变化的高度、横截面积和/或横截面形状。与缩短的锥形区段91c相比，扩展的锥形区段91a沿第一轴线6延伸更大的距离。子突出部88a、88b关于测量区域12的中点90对称地布置。

假设间隙89相对于预期流量相对较短，则间隙89可能对通道45内的流体流产生较小或可忽略不计的影响。以这种方式，子突出部88a、88b可以有效地将流体转移到一个或多个波束路径9中。将插入件44形成为用于连接在一起的两个部件可简化制造并降低成本。使用一对或多对子突出部88a、88b使得更容易形成作为两个部件的组装件的插入件，因为间隙89可以对应于部件之间的接合的位置。这可以允许简化插入件44的制造。

为了视觉清楚，在图29中仅示出了一对子突出部88a、88b，然而，可以使用任何数量对的子突出部88a、88b。子突出部88a、88b在插入件44的背景中示出，然而，一对或更多对的子突出部88a、88b可以等同地附接至流管5或形成为流管5的一部分。

超声波计量装置28、35、37、43的一些或全部突出部34可以采取成对的子突出部88a、88b的形式。

已经描述了超声波计量装置，其中突出部34关于测量区域12的中点90对称。当流路4可以在第一开口7和第二开口8之间的任一方向上时，对称性可能是有用的。然而，当流路4是单向的时，使用非对称突出部34可能是有利的。

例如，还参考图30，示出了具有非对称突出部92的插入件44的示例。

非对称突出部92包括第一、第二和第三区段93a、93b、93c。非对称突出部92的高度、横截面积和/或横截面形状随着沿第一轴线6的位置而变化。第一区段93a的高度和/或横截面积在第一开口7和测量区域12(第一位置z₁)之间逐渐增加。第二区段93b跨越测量区域12并且具有基本上恒定的高度、横截面形状和横截面积。第三区段93c的高度和/或横截面积在测量区域12(第二位置z₂)和第二开口8之间逐渐减小。然而，第三区段93c不与第一区段93a的变化呈镜像，而是沿着第一轴线6、z跨越更大的距离。

当预期流路4是单向的，例如从第一开口7朝向第二开口8是单向的时，与类似高度、横截面积和横截面形状的对称突出部相比，非对称突出部92的使用可以减小超声波计量装置28、35、37、43上的压降。

为了视觉清楚，在图30中仅示出了单个非对称突出部92，然而，可以使用任何数量的非对称突出部92。非对称突出部92在插入件44的背景中示出。然而，一个或多个非对称突出部92可以等同地附接至流管5或形成为流管5的一部分。

当流路4是单向的时，超声波计量装置28、35、37、43的一些或全部突出部34可以是非对称突出部92。

在图30中，测量区域12被示出为比第二开口8更靠近第一开口7。然而，这仅仅是图30被绘制的方式的结果，而不是必需的特征。

螺旋突出部

沿管道流动的流体可能会出现流动干扰，有时称为“旋流”，在这种情况下，远离流管5的中心的流体遵循螺旋路径，该螺旋路径沿着第一轴线6并绕第一轴线6。通常在泵的下游发现旋流。对于一些类型的波束路径类型，旋流可以是特定的问题。例如，绕第一轴线6的顺时针旋流可导致超声波计量装置1、21高估流量，而绕第一轴线6的逆时针旋流可导致超声波计量装置1、21低估流量。

还参考图31，示出了包括螺旋突出部94的插入件44的示例。

包括螺旋突出部94的插入件44可与超声波计量装置28、35、37、43一起使用，并且螺旋突出部94可根据流体中旋流的相对旋转方向和螺旋突出部94来提供不同的效果。如果流体包括在与螺旋突出部94相反方向上的旋流，则螺旋突出部94可以减小旋流的大小。或者，如果流体包括在与螺旋突出部94相同方向上的旋流，则螺旋突出部94可以使涡旋进一步受到控制和/或一致。增加旋流的一致性可以提高校正或校准旋流效应的容易度和可靠性。

螺旋突出部94还用于将增加的流体比例置换到三弦波束路径79中。

螺旋突出部94已经在插入件44的背景中示出，然而，一个或多个螺旋突出部94可以等同地附接至流管5或形成为流管5的一部分。

第五超声波流量计量装置

还参照图32至图37，示出了第五超声波流量计量装置95。

第五超声波流量计量装置95类似于第四超声波计量装置43，并且包括相应的特征以及下文描述的附加特征。

第五超声波流量计量装置95包括管段96和插入件97。管段96包括中心部分98，该中心部分98具有限定流管5的圆柱形孔。中心部分98是直的，并且当在第一和第二管道31、32之间安装第五超声波流量计量装置时，在一对凸缘30之间沿着第一轴线6延伸。三对第一通孔99穿过中心部分98形成，每一对以120度的角度间隔绕第一轴线6间隔开。第一通孔99用于接收超声波插入件100，超声波插入件100中的每一个包括超声波换能器2、3。管段96由铸铁形成。用于管段的可能的替代材料包括球墨铸铁、黄铜、不锈钢、铝或塑料。

插入件97固定在管段96内。在该示例中，插入件97包括对应于第一通孔99的第二通孔101。插入件97被放置在管段96内，使得第一通孔和第二通孔99、101对准。然后，使超声波插入件100被接纳在每组对准的第一通孔和第二通孔99、101中。超声波插入件100将插入件97固定在管段96内。插入件由塑料形成，例如，通过注射模制或3D打印。

一旦组装好，每对超声波插入件100限定V形反弹波束路径9、77，其包括从被夹着的反射器46反射到与相应的第二通孔101相对的插入件96的外部的反射。反射器46是金属板。第五超声波计量装置5使用具有六个圆角的三角形突出部70的第一构造36。

插入件97被成形为在通道外部提供第二流路102，在该示例中，在插入件97和由中心部分98限定的流管5的壁之间提供第二流路102。第二流路102的尺寸被设计成使得流体通过插入件96的通道45的第一质量分数f₁远大于流体通过第二流路102的第二质量分数f₂、即f₁＞＞f₂。例如f₂≤0.01，其中f₁＝1-f₂。利用第二流路102，突出部34可以仅阻止进入对应的非采样体积12b的一部分。然而，由于插入件44、97的内表面的连续性，突出部34在将流体流转移到波束路径9中时可基本上与实心突出部一样有效。

第二流路102可以防止流体停滞在由插入件97和中心部分98限定的流管5的内表面之间的空间中。在使用中，可在插入件44、97的通道45与插入件44、97和流管5的内表面之间的空间之间产生压力差。插入件97的第二流路102还可以用于减小在插入件97的限定突出部34、70的部分上的这种压力差。减小压力差可以使得插入件97能够使用更便宜的塑料材料和/或使用更便宜的制造技术(诸如3D打印)制成。特别地，对于较小批次的插入件44，3D打印比优化和制造注塑模具更具有成本效益。

在第五超声波计量装置95的替代实施例中，插入件97可省略且突出部34、70可替代地与中心部分98一体形成。在其它实施例中，可省略反射器46，且可通过来自插入件97或中心部分98的内部反射提供每个V形反弹波束路径9、77中的反射。可通过适当选择插入件97或中心部分98的材料结合V形反弹波束路径9、77的角度来实现内部反射。第一构造36的使用不是必需的，并且第五超声波计量装置95可以适于使用突出部34和波束路径9的其他构造，例如第二至第八构造47、51、53、56、59、62、65中的任何构造。

变型

应当理解，可以对上述实施例进行多种变型。这样的变型可以涉及在超声波计量装置的设计和使用中已经已知的等同物和其他特征，并且其可以代替本文已经描述的特征，或者除此之外还可以使用这些特性。一个实施例的特征可以由另一实施例的特征替换或补充。

在一般情况下，突出部34可根据相对简单的方法设计。为给定的流管5选择多对超声波换能器2、3和对应的波束路径9形状。流管5的边界和包括有效宽度w_b的波束路径9然后可以被投影到垂直于第一轴线6的单个平面中。流管5的投影内不在任何波束路径9的投影范围内的任何区域表示表示非采样体积12b的至少一部分。也与流管5的周边邻接的非采样体积12b可以用作至少沿测量区域12的长度延伸的棱柱形突出部34的横截面的基础。可以使用流体建模软件进行进一步优化，例如以确定沿着第一轴线6的精确的横截面形状和/或高度、横截面积和/或横截面形状的变化。

示例具有示出的突出部34，突出部34绕第一轴线6大致以等角构造间隔开。然而，突出部34的构造不需要关于第一轴线6是等角度的，因为这对于使流体移动通过一个或多个波束路径9不是必须的。

可以观察到，对于等角度间隔配置，例如第一构造36，在每对突出部之间引导的流体质量大致相等。鉴于此，可以通过仅使用单个波束路径9来简化超声波计量装置28、35、37、43、95，然后外推至其它突出部之间的剩余体积(中心部分也被采样)。该计算应当仍比假设流速曲线22更可靠，因为它仅仅取决于相对面积比例。校正可以使用已知的流量来校准，并且由于突出部的作用，预计不会对安装位置的流动干扰产生明显敏感。

改进传统超声波计量装置的方法

现有的超声波计量装置1、21可以用适当的插入件44进行改进，这可以降低对于流动干扰的敏感性。

特别地，改进的方法可以包括将插入件44固定在流管5内，使得插入件44的至少一部分设置在测量区域12内。插入件44应当具有突出部34的构造，并且应当定位和旋转，以便定位每个突出部34，以阻止流体进入一个或多个非采样体积12b的至少一部分。以这种方式，插入件44可以用于将流体流转移到现有超声波计量装置1、21的波束路径9中。插入件44可以用于具有已知或可测量几何形状的波束路径9和对应的非采样体积12b的任何现有超声波计量装置1、21。

还参考图38至40，示出了改进的一个示例。

夹持式超声波换能器103可附接在沿管道间隔开的位置处，以测量管道内的流量。具有从插入件104的中点径向向外延伸的衬垫板105的改进插入件104可与夹持式超声波换能器103结合使用。

插入件104的第一半部被接纳到由凸缘30端终止的第一管道106的孔中。然后，将第二管道107定位成孔接纳插入件104的另一半部，并且第二管道107的凸缘30抵接衬垫板105的。螺栓(未在图38中示出)用于将第一管道106和第二管道107夹紧在一起。衬垫板105既用于将插入件104固定到位，又用于在第一管道106和第二管道107之间提供流体密封。夹持式超声波换能器103附接到接合处的任一侧，以限定穿过第一管道106和第二管道107之间的接合处的V形反弹波束路径9、77。波束路径9、77的反射可以来自附接至插入件104或与插入件104集成的反射器46。或者，波束路径9、77的反射可以来自插入件104的内表面。

因此，夹持式超声波换能器103可以通过使用插入件104来降低对于流动干扰的灵敏度。基于由一对夹持式超声波换能器103进行的平均速度u*测量所进行的计算可能需要重新校准。另外，插入件104使得能够在第一和第二管道106、107之间的接合处进行测量，这在没有插入件104提供纯粹的反射的情况下将是不可能的。穿过两个现有管道106、107之间的接合处的测量可具有最小侵入性的优点。

在另一种布置(未示出)中，衬垫板105可以位于沿着插入件104的第一轴线6的任何点处，包括例如在插入件104的一个最末端处。在另一替代布置中，衬垫板105可以从插入件104中省略，并且插入件104可以替代地使用诸如粘合剂、压配合(也被称为“过盈配合”或“按压配合”)、由弹性部件(诸如“O”型环、螺钉和/或夹具)产生的摩擦固定在流管5内，这可能不需要对管道106、107进行任何变型。

虽然在本申请中已经针对特定的特征组合提出了权利要求，但是应当理解，本发明的公开内容的范围也明确地或隐含地或其任何概括包括本文公开的任何新颖特征或特征的任何新颖组合，无论其涉及与当前在任何权利要求中要求保护的相同的发明，并且是否消除与本发明相同的技术问题中的任何一个技术问题或全部技术问题。申请人在此提出新的权利要求可以在本申请或从其导出的任何其它应用的审查过程中被公式化为这些特征和/或这些特征的组合。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于测量流体的流量的超声波计量装置，包括：

用于所述流体的流管，该流管沿着第一轴线在第一开口与第二开口之间延伸；

一对或多对超声波换能器，每对所述超声波换能器被构造成限定对应的波束路径，该波束路径在所述流管的测量区域内与所述流管相交，其中每个所述波束路径与所述第一轴线形成角度，使得在所述测量区域内，每个所述波束路径包括平行于所述第一轴线的分量和横向于所述第一轴线的分量，所述测量区域跨越在沿着所述第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间，其中所述测量区域的处在一个或多个所述波束路径中的任一个波束路径之外的一个或多个部分包括非采样体积；以及

两个或多于两个的突出部，沿着所述第一轴线延伸，每个所述突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个所述非采样体积的至少一部分，其中两个或多于两个的所述突出部被布置成使得每个所述波束路径的横向于所述第一轴线的分量穿过由一对所述突出部限定的至少一个空间。

2.根据权利要求1所述的超声波计量装置，其中，至少一个所述突出部沿着所述第一轴线延伸的距离跨越所述测量区域。

3.根据权利要求1或2所述的超声波计量装置，其中，对于至少一个所述突出部而言，所述突出部的垂直于所述第一轴线的横截面积随着沿所述第一轴线的位置而变化。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的超声波计量装置，其中，对于至少一个所述突出部而言，所述突出部在垂直于所述第一轴线的平面中的横截面形状随着沿所述第一轴线的位置而变化。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的超声波计量装置，其中，对于至少一个所述突出部而言，所述突出部的垂直于所述第一轴线的高度随着沿所述第一轴线的位置而变化。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的超声波计量装置，其中，至少一个所述突出部相对于所述测量区域的中点是对称的。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超声波计量装置，其中，至少一个所述突出部相对于所述测量区域的中点是非对称的。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的超声波计量装置，其中，两个或多于两个的所述突出部与所述流管一体地形成。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的超声波计量装置，其中，一插入件被固定在所述流管内，并且其中所述插入件至少部分地限定包括两个或多于两个的所述突出部中的至少一个突出部的通道。

10.根据权利要求9所述的超声波计量装置，其中，所述插入件被构造成在所述插入件与所述流管的壁之间提供第二流路，所述第二流路被构造成在使用中经由所述通道的流体的第一质量分数大于经由所述第二流路的流体的第二质量分数。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的超声波计量装置，其中，至少一个所述波束路径包括至少一反射。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的超声波计量装置，其中，对于至少一个所述突出部而言，沿着所述第一轴线从所述第一开口向所述第一位置和/或从所述第二开口向所述第二位置移动的方向，所述突出部在垂直于所述第一轴线的平面中的横截面积有所增加。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的超声波计量装置，其中，对于每个所述波束路径而言，所述波束路径的有效波束宽度基本上等于一对突出部的间隔，该对突出部的间隔限定一空间，横向于所述第一轴线的所述分量穿过所述空间。

14.一种超声波计量装置的流管的插入件，所述超声波计量装置为根据权利要求9、10所述的超声波计量装置或引用权利要求9或10时的权利要求11至13所述的超声波计量装置。

15.一种用于超声波流量计量装置的插入件，所述流量计量装置包括：

用于流体的流管，所述流管沿着第一轴线在第一开口与第二开口之间延伸；

一对或多对超声波换能器，每对所述超声波换能器被构造成限定在所述流管的测量区域内与所述流管相交的对应的波束路径，其中每个所述波束路径与所述第一轴线形成角度，使得在所述测量区域内，每个所述波束路径包括平行于所述第一轴线的分量和横向于所述第一轴线的分量，所述测量区域跨越在沿着所述第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间，其中所述测量区域的处在一个或多个所述波束路径中的任一个波束路径之外的一个或多个部分包括非采样体积；

其中，所述插入件被构造成能够固定在所述流管内，使得所述插入件的至少一部分被设置在所述测量区域内，所述插入件包括：

通道，被构造成当所述插入件固定在所述流管内时沿着所述第一轴线延伸；以及

两个或多于两个的突出部，延伸到所述通道中，使得当所述插入件被固定在所述流管内时，每个所述突出部沿着所述第一轴线延伸，使得每个所述突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个所述非采样体积的至少一部分，其中两个或多于两个的所述突出部被布置成使得每个波束路径的横向于所述第一轴线的分量穿过由一对所述突出部限定的至少一个空间。

16.一种改进用于测量流体的流量的超声波计量装置的方法，所述超声波计量装置包括：

用于所述流体的流管，所述流管沿着第一轴线在第一开口与第二开口之间延伸；

一对或多对超声波换能器，每对所述超声波换能器被构造成限定在所述流管的测量区域内与所述流管相交的对应的波束路径，其中每个所述波束路径与所述第一轴线形成角度，使得在所述测量区域内，每个波束路径包括平行于所述第一轴线的分量和横向于所述第一轴线的分量，所述测量区域跨越在沿所述第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间，其中所述测量区域的处在一个或多个所述波束路径中的任一个波束路径之外的一个或多个部分包括非采样体积；

所述方法包括将插入件固定在所述流管内，使得所述插入件的至少一部分被设置在所述测量区域内，所述插入件包括：

两个或多于两个的突出部，延伸到所述通道中，使得当所述插入件被固定在所述流管内时，每个所述突出部沿着所述第一轴线延伸，使得每个所述突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个所述非采样体积的至少一部分，其中两个或多于两个的所述突出部被布置成使得每个所述波束路径的横向于所述第一轴线的分量穿过由一对所述突出部限定的至少一个空间。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述插入件是根据权利要求14或15所述的插入件。

18.一种超声波计量装置或插入件的用途，用于测量流体的流量，所述超声波计量装置是根据权利要求1至13中任一项所述的超声波计量装置，所述插入件是根据权利要求14或15所述的插入件。

19.根据权利要求18所述的用途，其中，所述流体是水。

20.根据权利要求18所述的用途，其中，所述流体是天然气。

Claims

1.一种用于测量流体的流量的超声波计量装置，包括：

一对或多对超声波换能器，每对所述超声波换能器被构造成限定对应的波束路径，该波束路径在所述流管的测量区域内与所述流管相交，所述测量区域跨越在沿着所述第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间，其中所述测量区域的处在一个或多个所述波束路径中的任一个波束路径之外的一个或多个部分包括非采样体积；以及

一个或多个突出部，沿着所述第一轴线延伸，每个所述突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个所述非采样体积的至少一部分。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的超声波计量装置，其中，一个或多个所述突出部与所述流管一体地形成。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的超声波计量装置，其中，一插入件被固定在所述流管内，并且其中所述插入件至少部分地限定包括一个或多个所述突出部中的至少一个突出部的通道。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的超声波计量装置，其中，至少一个所述波束路径包括至少一次反射。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的超声波计量装置，其中，对于至少一个所述突出部而言，沿着所述第一轴线从所述第一开口向所述第一位置移动的方向，所述突出部在垂直于所述第一轴线的平面中的横截面积有所增加。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的超声波计量装置，其中，对于至少一个所述突出部而言，沿着所述第一轴线从所述第二开口向所述第二位置移动的方向，所述突出部在垂直于所述第一轴线的平面中的横截面积有所增加。

一对或多对超声波换能器，每对所述超声波换能器被构造成限定在所述流管的测量区域内与所述流管相交的对应的波束路径，所述测量区域跨越在沿着所述第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间，其中所述测量区域的处在一个或多个所述波束路径中的任一个波束路径之外的一个或多个部分包括非采样体积；

一个或多个突出部，延伸到所述通道中，使得当所述插入件被固定在所述流管内时，每个所述突出部沿着所述第一轴线延伸，使得每个所述突出部的至少一部分被布置成阻止流体进入一个或多个所述非采样体积的至少一部分。

一对或多对超声波换能器，每对所述超声波换能器被构造成限定在所述流管的测量区域内与所述流管相交的对应的波束路径，所述测量区域跨越在沿所述第一轴线间隔开的第一位置与第二位置之间，其中所述测量区域的处在一个或多个所述波束路径中的任一个波束路径之外的一个或多个部分包括非采样体积；

19.根据权利要求18所述的用途，其中，所述流体是水。

20.根据权利要求18所述的用途，其中，所述流体是天然气。