CN116261651A - 流量测量装置和用于测量流体的流量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于测量流体的流量的流量测量装置，具有：测量传感器，其具有用于流体的具有管壁的管道；至少一个相控阵列超声波换能器单元，其可以以不同的发射角发射超声波信号并从不同的接收角接收超声波信号；控制和评估单元，其被设计用于控制超声波换能器单元沿着测量路径发射超声波信号并评估接收到的超声波信号，并且使用超声波信号的传播时间来确定流量，其中，测量传感器具有至少一个反射器，该反射器被设计用于将由超声波换能器单元发射的超声波信号反射回到同一超声波换能器单元，其中，超声波信号在至少部分不同的路径区段上通过测量路径从超声波换能器单元到反射器并返回到超声波换能器单元，并且测量路径是不沿直径延伸通过管道的中心轴线的割线路径。

Description

流量测量装置和用于测量流体的流量的方法
本发明涉及基于超声波的流量测量装置和测量流体的流量的方法。
已知不同的测量原理用于基于超声波确定流体的流速或流动速度或流量。
在差分传播时间方法中，一对超声波换能器在纵向方向上相互错开地装配在管道的外周上，这些超声波换能器横向于流体沿着跨过超声波换能器之间的测量路径相互发送和记录超声波信号。通过流体传输的超声波信号根据传播方向被流体加速或减速。所得的传播时间差通过几何变量计算出流体的平均流速。通过横截面面积从中得出体积流量或流量。为了更精确地进行测量，也可以设置多个测量路径，每个测量路径具有一对超声波换能器，以便在多于一个点处检测流动横截面。为了在速度在流动横截面上分布不对称的情况下实现高测量精确度，需要多个测量路径，这些测量路径不延伸通过管轴线或管道的中心轴线，即所谓的不是沿着直径的测量路径或者割线路径。特别地，为了使体积流量测量对不均匀的流动分布有较高的不敏感性，最好采用远离中心的割线路径。
用于产生超声波所使用的超声波换能器具有振荡体，通常是陶瓷。借助该振荡体，例如基于压电效应将电信号转换成超声波，反之亦然。根据用途，超声波换能器用作声源、声波探测器或两者兼而有之。在此，需要确保流体和超声波换能器之间的耦合。一个常见的解决方案是使超声波换能器伸入到管道中与流体直接接触。这种侵入式探头可能会由于流动的干扰而使精确测量变得困难。反之，浸没式超声波换能器暴露于流体及其压力和温度下，因此可能会损坏或由于沉积物而失去其功能。
原则上也已知内壁完全保持封闭的技术。示例是诸如根据US 4 467659的所谓的夹合式(Clamp-On)装配，通过该夹合式装配将超声波换能器从外部紧固在管道上。但这只能实现通过管轴线的沿着直径的测量路径，由此，在流动剖面非轴线对称的情况下会产生额外的误差。
在DE 10 2013 101 950 A1中提出了另一种实施方式，其中超声波单元本身各自由成组的多个单独换能器构成。在例如由纤维复合材料制成的多层管壁的情况下，这些单独换能器可以直接集成到管壁中。工作原理使用换能器组，以便(如同在经典的夹合式布置情况下一样)通过固体声波有针对性地发射或接收超声波。如从所谓的夹合式结构(其中，超声波换能器在外部被装配到通道壁上)中已知的，这具有以下优点：换能器单元不伸入到流动通道中，因此流动不会受到干扰并且不会出现污染。
已知的侵入式探头的另一缺点出现在高流速的情况下。这在EP 2 103912A1的图3和图4中清晰地示出。由于漂移效应，超声波包(Ultraschallpaket)根据流速的不同而入射到相对的管壁上的不同位置上，并且可能不再入射到布置在那里的超声波换能器单元上。
从Kang等人2017年9月6-9号于美国华盛顿特区2017年IEEE国际超声研讨会(IUS)发表在2017IEEE International：Ultrasonics Symposium(IUS)ISSN 1948-5727中的“Two-dimensional flexural ultrasonic phased array for flow measurement”中已知，通过所谓的“相控阵列光束转向”来对抗上述漂移效应。“相控阵列”由各个超声波换能器组成，这些超声波换能器共同发出叠加的超声波信号，这些超声波信号的辐射方向可通过改变各个信号的相位来改变。这些“相控阵列”超声波换能器单元被插入到流动通道的开口中。
从现有技术已知的差分传播时间法的缺点在于，每个测量路径需要至少两个超声波换能器单元。此外，还需要互易的(reziprok)电子器件或完全对称性，即超声波换能器单元和所连接的电子器件针对往返方向完全相同的行为，这进一步增加了设备的复杂性。
此外，已知一种多普勒方法用于确定流速或流动速度。在这里，评估在流动的流体内部反射的超声波信号根据流速而不同的频率移位。在此，仅使用一个发射和接收超声波信号的超声波换能器。然而，只有在流体中存在反射超声波信号的足够合适的散射颗粒时，才可以进行测量。
文献US 2015/0020608 A1描述了一种具有超声波换能器元件布置的流量测量装置，该流量测量装置被配置用于激活超声波换能器元件布置的第一子布置，以便引导至少两个发出的超声波束通过流体，以及激活超声波换能器元件布置的第二子布置，以便探测通过测量路径之后的超声波束。然而，仅公开了通过管中心轴线延伸的沿着直径的测量路径，这些测量路径跨过管中心轴线所在的测量平面。在流动剖面非轴线对称的情况下，这种沿着直径的测量路径会产生不精确的测量结果，因为只对流动剖面在横截面上进行了不充分的检测。
从该现有技术出发，本发明的任务在于提供用于测量流速的改进的设备，该设备适用于测量不含或仅含有少量散射颗粒的流体，其中，该设备的技术复杂性降低，并且在流动剖面非轴线对称的情况下能够提供提高的测量精确度。
该任务通过具有权利要求1的特征的流量测量装置和具有权利要求12的特征的用于测量流体的流量的方法来实现。
根据本发明的流量测量装置包括：
测量传感器，该测量传感器具有用于流体的具有管壁的管道，
至少一个相控阵列超声波换能器单元，其中，本申请相关的相控阵列超声波换能器单元包括可以以不同的角度发射超声波信号并且从不同的角度接收超声波信号的超声波换能器单元，特别是还包括仅两个超声波换能器的布置，
控制和评估单元，该控制和评估单元被设计用于控制超声波换能器单元沿着测量路径发射超声波信号、评估所接收的超声波信号以及使用超声波信号的传播时间来确定流量，
其中，测量传感器具有至少一个反射器，该反射器被设计用于将由超声波换能器单元发射的超声波信号反射回到超声波换能器单元，其中，超声波信号在至少三个不同的路径区段上通过测量路径从超声波换能器单元到反射器并返回到超声波换能器单元，并且测量路径是不沿直径(diametral)延伸通过管道的中心轴线的割线路径。
本发明的特别优点在于，根据本发明的流量测量装置仅需要一个超声波换能器单元就能借助于差分传播时间法来确定流体的流量，而且即使在流动剖面非轴线对称的情况下也提供提高的测量精确度。通过省去通常必要的第二超声波换能器单元，流量测量装置的复杂性得到显著降低。
在一个实施方式中，根据本发明的流量测量装置可以被设计成使得超声波换能器单元是一维超声波换能器单元，该一维超声换波能器单元具有一维线性超声波换能器阵列。由于一维超声波换能器单元的超声波信号的发射角仅在一个平面中发生改变并且超声波信号可以在这个平面中被发射并被再次接收，因此超声波换能器单元和反射器被定向成使得超声波信号在反射器和管壁上反射之后再次基本上在其被发射所在的平面中入射到超声波换能器上。在这种情况下，“基本上”意味着一维超声波换能器单元可以具有容许角度，在该容许角度下也可以接收到未直接在发射的超声波信号的平面中入射到超声波换能器单元上的超声波信号。这种容许角度通常处于与一维超声波换能器单元的标称的发射平面和接收平面呈+/-10度的范围内，其中，标称的发射平面和接收平面是指发射超声波信号所在的平面并且在该平面中接收超声波信号的效率最高。在超声波换能器呈行状布置的一维超声波换能器单元中，这通常是包括超声波换能器行和超声波信号的辐射方向的平面。
在第一测量中，超声波信号在由一维超声波换能器单元发射之后首先被第一反射器反射并且入射到第二反射器上，该第二反射器将超声波信号反射回到超声波换能器单元。因此，超声波信号通过测量路径，该测量路径具有至少三个不同的路径区段，即从超声波换能器单元到第一反射器，从第一反射器到管壁以及从管壁返回到超声波换能器单元，其中，反射器和超声波换能器单元彼此协调和取向，使得测量路径是割线路径，即管中心轴线不位于由测量路径限定的平面中，而是仅在一点处与该平面相交。如上所述，所接收的超声波信号可以位于超声波换能器单元的标称的发射平面和接收平面中，或者相对于标称的发射平面和接收平面具有最大与超声波换能器单元的容许角度一样大的角度。测量路径也可以具有另外的路径区段，其中，测量信号可以在另外的反射器上和/或管壁上被反射。重要的是，所发射的超声波信号和在通过测量路径之后再次被接收的超声波信号基本上位于一个平面中。
为了进行差分测量，超声波换能器单元还被设计成在第二测量中发射超声波信号，使得超声波信号沿相反的方向通过测量路径，即首先从超声波换能器单元到第二反射器，从第二反射器到第一反射器以及从第一反射器返回到超声波换能器单元。根据在这两种测量中确定的超声波信号的传播时间的差，评估单元可以以已知的方式计算流体的平均流速。
在该实施方式的改进方案中，根据本发明的流量测量装置可以被设计成使得在测量平面内实现多个测量路径，其中，超声波信号可以在测量平面内以不同的角度被发射和接收。优选地，可以为每个测量路径设置一个反射器。
在可替代的实施方式中，根据本发明的流量测量装置可以被设计成使得超声波换能器单元是二维超声波换能器单元，该二维超声波换能器单元具有二维超声波换能器阵列，其中，超声波换能器单元的各个超声波换能器可以优选地布置成行且成列。因此，在可能的测量路径方面提供了更大的灵活性。特别地，可以在不同的测量平面中实现通过二维阵列设计为割线路径的测量路径。因为测量路径被设计为割线路径，所以在该实施方式中，管中心轴线也不位于由测量路径限定的测量平面中，而是仅分别在一点处与这些测量平面相交。
在第一测量中，超声波信号在由超声波换能器单元发射之后首先被管道的管壁反射至少一次。在管壁上进行了一次或更多次反射之后，超声波信号入射到反射器上，该反射器将超声波信号反射回到超声波换能器单元。因此，超声波信号通过测量路径，该测量路径具有至少三个不同的路径区段，即从超声波换能器单元到管壁，从管壁到反射器以及从反射器返回到超声波换能器单元。在管壁上进行了多于一次反射的情况下，测量路径也具有从管壁到管壁的路径区段。
为了进行差分测量，超声波换能器单元还被设计成在第二测量中发射超声波信号，使得该超声波信号沿相反的方向通过测量路径，即首先从超声波换能器单元到反射器，从反射器到管壁以及在管壁上进行了一次或更多次反射之后返回到超声波换能器单元。根据在这两种测量中确定的超声波信号的传播时间的差，评估单元可以以已知的方式计算流体的平均流速。
在超声波换能器单元被设计为二维超声波换能器单元的情况下，该超声波换能器单元可以在不同的测量平面中发射和接收超声波信号。为此，测量传感器可以具有布置在管壁上或管壁中的多个反射器。可替代地，测量传感器可以具有弧形地布置在管壁中或管壁上的反射器，并且超声波换能器单元可以被控制成使得超声波信号在不同的位置处入射到弧形反射器上。由此，可以灵活地使用不同的测量路径。反射器也可以被实施为圆形的，即覆盖管壁的整个内周，由此进一步增加了可能的测量路径的数量。
在所描述的两个实施方式中特别有利的是，至少对于一个路径区段，比率r/R介于0.3和0.65之间，其中，R是管道的半径，r是路径区段与管道的中心轴线的最短距离。这种路径区段特别有利于合理地扫描流动。这些路径区段相对于管轴线偏离中心，但也不太靠近边缘。然后，这些路径也近似处于高斯节点上。这是有利的，因为在高斯节点中，流动剖面不随流体的速度的变化而变化。总的来说，这导致了更高的测量精确度。为了进一步提高测量精确度，至少两个路径区段可以具有不同的比率r/R值。
在根据本发明的流量测量装置的优选实施方案中，超声波换能器单元和反射器之间的路径区段相对于管道的中心轴线以小于20度，特别优选小于15度的路径角延伸。这具有的优点是，超声波信号在靠近管壁的区域中延伸并且在该路径区段上比在管道的中心轴线的区域中受到流体流量的影响更小，因为管道中的流体流的流动剖面通常在管壁的区域中具有比在管道的中心轴线的区域中明显更低的流速。
有利地，超声波换能器单元可以被集成到管道的管壁中。由此，流体的流量就不会受到影响并且防止不期望的干扰，例如由于涡流而引起的干扰。
优选地，反射器可以沿流动方向布置在超声波换能器单元之后，使得它们不会影响超声波换能器单元和反射器之间的区域中的流体流动。
在本发明的一个实施方式中，超声波换能器单元和/或反射器可以被布置在管壁的凹部中，以减少对流体流动的干扰。优选地，在该实施方式中，凹部可以至少部分地被遮盖。特别优选地，仅设置有用于超声波信号进入和离开的开口。
因为超声波换能器单元被设计为相控阵列，所以该超声波换能器单元可以以第一角度发射超声波信号，并且可以以不同于第一角度的第二角度接收超声波信号。在此，超声波换能器单元可以被定向成使得超声波信号以量值相同的角度被发射并在通过测量路径之后被再次接收。通过这种对称性简化了接收数据的进一步处理。
在本发明的一个设计方案中，超声波换能器单元可以被设计为由至少两个超声波换能器的行组成的线性阵列，这些超声波换能器的取向平行于测量路径。这使得能够通过控制超声波换能器的相位以及因此对应地跟踪发射角来抵抗漂移效应。因此，可以在较大的流速范围内检测到更好的测量结果。相控阵列超声波换能器单元可以实时(online)考虑漂移效应，并使超声波包的发射的方向与流速相匹配。
为此，超声波换能器单元也可以被设计用于同时发射具有不同发射角的超声波信号并且同时以不同的接收角接收所反射的超声波信号，其中，所接收的超声波信号可以通过数字后处理彼此分离并因此可以测定差分传播时间，或者可以评估所接收的超声波信号的干扰并可以从信号图像中测定差分传播时间。
如果在流体中存在足以执行开篇提到的多普勒测量来确定流速的颗粒数量，则根据本发明的流量测量装置也可以被设计用于执行两种方法，以便因此在确定流速时实现更高的精确度。
根据本发明的方法可以以类似的方式改进并同时显示出类似的优点。这种有利的特征在从属于独立权利要求的从属权利要求中示例性地、但非穷尽地进行了描述。
下面将参照附图根据实施例详细阐述本发明。在附图中：
图1示出了流量测量装置的示意图；
图2a示出了被实施为二维阵列的超声波换能器单元的示意性俯视图；
图2b示出了被实施为二维阵列的超声波换能器单元的示意性侧视图；
图3示出了根据本发明的流量测量装置的示意图；
图4示出了根据本发明的流量测量装置的示意性透视图；
图5示出了根据本发明的流量测量装置为了进行多路径测量的可替代的实施方式的示意图；
图6a至图6c示出了在根据本发明的流量测量装置中的测量路径的屏蔽件的示意图；
图7示出了根据本发明的流量测量装置的另一实施方式的示意图；
图8示出了根据现有技术的流量测量装置的示意图。
在图8中示出了根据现有技术的流量测量装置110，用于一般性地阐述通用的流量测量装置的功能。流量测量装置110包括测量传感器112，该测量传感器112具有用于流体118的具有管壁116的管道114。流经管道114的流体(气体或液体)在图8中用宽箭头示出并且在z方向上沿着管道114的中心轴线126流动。
此外，流量测量装置110还具有两个超声波换能器120和122，这两个超声波换能器120和122在它们之间在管道114中限定测量路径124。超声波换能器120和122在流动方向z上错开地布置，即沿管道114的中心轴线126在纵向方向上间隔开。由此，测量路径124不正交于流动方向z，而是与流动方向z成一路径角α。超声波换能器单元120和122中的每一个都可以作为发射器或接收器工作，并且由控制和评估单元128控制。
根据路径角α和管直径D得到测量路径124在流体介质中的长度L。因此，作为超声波包在测量路径124上沿相反的方向发射和接收的超声波信号一次具有沿流动方向z的方向的分量，而另一次具有与流动方向z相反的分量，因此顺着流体118的流动而加速或者逆着流动而减速。在这种传播时间法中，流体的平均流速v根据下式来计算：
Figure BDA0004113813440000091
其中，t2和t1表示发射的超声波信号向上游或向下游经历测量路径24所需的声波传播时间，并记录在控制和评估单元128中。然后，可以用管横截面和流体118的平均流速v来计算流量。
在图1中非常示意性地示出的流量测量装置10也根据这种原理工作。该流量测量装置10同样具有测量传感器12以及控制和评估单元28，该测量传感器12具有管道14和管壁16。流经管道14的流体18(气体或液体)用宽箭头示出并且在z方向上沿管道14的中心轴线26流动。流动的流体18具有流动剖面32，该流动剖面32对沿着管壁16传播的超声波信号的影响很小，例如这是因为流体18在管壁16的区域中的流速与在中心轴线26的区域中的流速相比更低。
与图8的流量测量装置110不同，图1中的用于测量流体的流量的设备在管壁16中仅具有一个超声波换能器单元20。此外，超声波换能器单元20不是“单一的”超声波换能器，而是被设计为相控阵列超声波换能器单元20。超声波换能器单元可以被设计成由至少两个可单独控制的超声波换能器的行组成的一维线形阵列，这些超声波换能器的取向是平行于测量路径24的，或者如在图2a的示意性俯视图中所示被设计为可单独控制的超声波换能器22的二维阵列。为了发射超声波信号，各个超声波换能器22由控制和评估单元28以如下方式控制，使得这些超声波换能器彼此之间分别具有相位偏移，其中该相位偏移被选择为使得由此产生的超声波的叠加引起超声波信号，该超声波信号以垂直于超声波换能器单元20的面法线40的发射角γ离开超声波换能器单元20，如图2b所示，在图2b中通过实线42示出了发射的超声波信号。此外，超声波换能器单元20可以被控制成使得检测到以入射角φ入射到超声波换能器单元20上的超声波信号(在图2b中通过点划线44示出)。发射角γ和入射角φ可以在量值和方向上有所不同。这种相控阵列超声波换能器单元的工作原理从现有技术中已知。
在图2a中示例性地示出了4×4的超声波换能器阵列。这种限制基本上是由附图应保持简单和清晰所决定的。如果16个这样单独的超声波换能器提供过低的信号电平，则阵列也可以具有更多个超声波换能器。因此优选地，阵列以未示出的方式设计有更多个超声波换能器。超声波换能器的数量是信号强度、复杂性和成本之间的折衷。
因此，超声波换能器单元20发送和接收沿着测量路径24移动通过管道14的超声波信号。如图1所示，测量路径24具有多个路径区段24a、24b、24c。
在第一测量中，超声波换能器单元20沿着测量路径24的第一路径区段24a将超声波信号从超声波换能器单元20发射到管壁16，其中在第一测量中，超声波信号的传播方向在图1中通过实线箭头24.1表示。在管壁16上反射之后，超声波信号沿着第二路径区段24b从管壁16到达反射器30，反射器30沿着第三路径区段24c将超声波信号反射回到超声波换能器单元20。反射器30在流体的流动方向18的下游(即，在超声波换能器单元20后方)布置在管壁上或管壁中，使得流体在超声波换能器单元20和反射器30之间的区域中的流动仅受到很小的干扰或完全不受干扰，特别是在超声波换能器单元20齐平地集成到管壁16中的情况(未示出)下如此。
在第二测量中，超声波换能器单元20在相反的传播方向上(由虚线箭头24.2表示)沿着测量路径24的第三路径区段24c朝向反射器30的方向发射超声波信号。在反射器30上反射之后，超声波信号沿着第二路径区段24b到达管壁16，管壁16沿着第一路径区段24a将超声波信号反射回到超声波换能器单元20。
超声波换能器单元20和反射器30被布置成使得测量路径24的位于超声波换能器单元20和反射器30之间的第三路径区段24c相对于中心轴线26以小于20度，优选小于15度的路径角β延伸，其中中心轴线26与第三路径区段24c之间的路径角β在此是关于中心轴线26的平行线26.1给出的。因此，第三路径区段24c在尽可能靠近管壁16的区域中延伸。由于管道14中的流动剖面32，超声波信号因此在超声波换能器单元20和反射器30之间的第三路径区段24c上受流体流动的影响很小。
相比之下，在超声波换能器单元20和管壁16之间的第一路径区段24a上以及在管壁16和反射器30之间的第二路径区段24b上，超声波信号受管道中流体的流动剖面32和速度的影响较大。由此，用第二测量测得的超声波信号逆着流动方向(通过虚线箭头示出的测量路径)的传播时间长于用第一测量测得的顺着流动方向(通过实线箭头示出的测量路径)的传播时间。因此，可以通过评估这两种测量的传播时间差来计算介质的平均流速。
在这种传播时间法中，流体的平均流速v根据下式计算：
Figure BDA0004113813440000111
其中：
t24.1和t24.2表示发射的超声波信号在第一传播方向24.1上和在相反的传播方向24.2上经历测量路径24所需的声波传播时间；
L24a、L24b、L24c表示路径区段24a、24b、24c的长度；
α24a、α24b表示第一路径区段24a和第二路径区段24b相对于中心轴线26的路径角；
β表示第三路径区段24c相对于中心轴线26的路径角；
Cv表示取决于流动剖面并因此取决于流速的校正因子，该校正因子可以通过测量、校准或模拟来确定。
然后可以用管横截面和流体18的平均流速v来计算流量。
校正因子Cv例如可以这样确定，即在校准过程中，在一个或更多个不同预先给定的平均流速v下测量声波传播时间t24.1和t24.2并且通过转换上述等式来计算校正因子Cv。在此优选地，测量多个不同的流速，因为流动剖面32也可以与流速相关。可替代地，也可以通过通常的方式模拟超声波信号的声波传输时间t24.1和t24.2，同时考虑也通过通常的方式模拟的与流速相关的流动剖面来计算校正因子Cv。因此，取决于流动剖面并且因此也取决于流速的校正因子Cv可以作为声波传输时间t24.1和t24.2的函数给出。
由于超声波换能器单元20被设计为相控阵列，因此可以通过控制和评估单元28控制各个超声波换能器22来改变发射角γ。由此，尤其在流速高的情况下，能够抵消漂移效应。即，可以这样重新调节发射角γ，使得总是射中反射器30而与流速无关，并且发射的
超声波信号再次被反射回到超声波换能器单元20。
由于将超声波换能器单元20设计为相控阵列，发射角γ取决于各个信号的设定相移和流体中的声速。声速本身取决于环境条件，如温度和压力。因此有利的是，通过控制和评估单元28控制各个超声波换能器22相位差可以作为环境条件的函数来调整，使得即使声速改变，发射角γ也保持不变。为了确定环境条件，可以设置有环境检测单元(未示出)，该环境检测单元例如检测管道14中的温度和/或压力，并且将温度和/或压力传输到控制和评估单元28，以便能够测控流体特性并且因此能够计算声速和密度。借助这些知识可以更好地控制或评估超声波换能器22。密度是计算质量流量所必需的，并且可以根据介质的特性以及温度和压力计算得出。声速本身可以在环境条件已知(流体静止且路径的长度已知)的情况下通过以方式进行初始测量，即针对超声波信号沿着测量路径的两个传播方向测量传播时间，由此确定平均传播时间，并且将测量路径的长度除以平均传播时间：
Figure BDA0004113813440000121
其中：
c＝声速，
L＝测量路径的长度，
t1＝超声波信号沿着测量路径在第一方向上的传播时间，
t2＝超声波信号沿着测量路径在第二方向上的传播时间。
测量路径24在图1中示出为延伸通过管道14的中心轴线26的沿着直径的测量路径。根据本发明，测量路径可以被设计为割线路径，如图3所示。
图3示出了根据本发明的流量测量装置310的实施方式，其中沿流动方向示出了管道14。超声波换能器单元20在测量路径34上发射超声波信号，该测量路径34现在不是沿直径延伸通过管道14的中心轴线26，而是作为具有路径区段34a、34b、34c的所谓的割线路径延伸。此外，测量路径34如在图1的示例中那样不正交于流动方向18延伸，即从绘图平面出来或进入到绘图平面中。在速度分布不对称的情况下，使用割线路径是有利的。因为测量路径34的路径区段34a、34b、34c不延伸通过管道14的中心轴线26，所以管道14的中心轴线26不位于由测量路径34的路径区段34a、34b、34c限定的测量平面中，而是仅在一点处与该测量平面相交。因此，在确定平均流速时可以实现更高的精确度。为了合理地扫描流动剖面，对于至少一个路径区段，比率r/R可以介于0.3和0.65之间，其中，R是管道的半径，r是路径区段与管道的中心轴线的最短距离，这里针对路径区段34a示出。优选地，可以进行多路径测量，其中，超声波换能器单元20以不同的角度发射超声波信号，使得超声波信号在一测量平面内在不同测量路径上通过管道14，其中，对于每个测量路径，可以分别将反射器30布置在管壁上或管壁中。
图4示出了根据本发明的流量测量装置410的实施方式的透视图，该流量测量装置410具有超声波换能器单元20，该超声波换能器单元20具有可单独控制的超声波换能器的二维阵列，并且可以在不同的测量平面中发射和接收超声波信号。示例性地示出了具有路径区段432a-432c、434a-434c、436a-436c的三个不同的测量路径432、434、436。测量路径432、434、436是不沿直径延伸通过管道14的中心轴线26的割线路径。因此，管道14的中心轴线26不位于由测量路径432、434、436限定的测量平面中，而是仅相应地在一点处与这些测量平面相交。为了清楚起见，没有示出测量信号沿着测量路径432、434、436的传播方向，但是在此测量信号也如在前面示出的示例中那样分别在两个方向上通过测量路径432、434、436，即例如对于测量路径432，在第一测量中首先沿着路径区段432a从超声波换能器单元20到管壁16，然后沿着路径区段432b到反射器430以及沿着路径区段432c从反射器430返回到超声波换能器单元20。在第二测量中，以相反的方向通过测量路径432，即首先沿着路径区段432c从超声波换能器单元20到反射器430，然后沿着路径区段432b到管壁16以及沿着路径区段432a从管壁16返回到超声波换能器单元20。
代替单独的反射器，该实施例具有弧形地布置在管壁上或管壁中的反射器430。由于超声波换能器单元20被设计为二维超声波换能器单元，因此该超声波换能器单元可以在不同的测量平面中发射和接收超声波信号，并且可以被控制成使得超声波信号在不同的位置处入射到反射器430上。由此，可以灵活地使用不同的测量路径和/或测量平面。反射器430也可以被实施为圆形的，即覆盖管壁的整个内周，由此进一步增加可能的测量路径的数量。
原则上，为了进行多路径测量，也可以使用多个超声波换能器单元，如图5所示。除了沿测量路径24/1发射和接收超声波信号的第一超声波换能器单元20/1(其中，超声波信号在第一反射器30/1上被反射)之外，流量测量装置10还具有沿第二测量路径24/2发射和接收超声波信号的第二超声波换能器单元20/2(其中，超声波信号在第二反射器30/2上被反射)。根据对流量测量的精确度要求，可以使用数量为N的多个超声波换能器单元，这些超声波换能器单元跨过N个测量路径。代替N个反射器，例如也可以设置一个反射器，该反射器被设计为管壁16的周向的隆起部或槽。
在图3和图4所示的实施例中，超声波信号分别在管壁16上进行单次反射。为了进一步提高测量精确度，测量路径34、432、434、436也可以这样设计，使得超声波信号在超声波换能器单元20和反射器30、430之间在管壁16上被多次反射。优选地，路径区段34c、423c、434c、436c在靠近管壁16的区域中延伸，在这些路径区段上，超声波信号如上文所解释的直接(即不在管壁16上反射)从反射器30、430到达超声波换能器单元20(或者在相反的传播方向上从超声波换能器单元20直接到达反射器)。
为了进一步减小流体流动对直接在超声波换能器单元20和反射器30之间行进的超声波信号的影响，可以通过以下图6a至图6c中示出的不同实施方案将这些超声波信号与流体流屏蔽开。
图6a示出了机械屏蔽件40、42，该机械屏蔽件40、42基本上围住了超声波换能器单元20和反射器30之间的区域，并且仅具有用于超声波信号进入和离开的开口。
图6b示出了可替代的实施方案，其中超声波换能器单元20和反射器30被布置在管壁的凹部44中。
为了进一步屏蔽，凹部44可以如图5c所示除了用于超声波信号进入和离开的开口之外被封闭，这与图5a中的实施例类似。凹部44也可以被设计为测量模块，该测量模块可以通过法兰连接到管壁16中的开口处并且包括超声波换能器单元20和反射器30。
图7示出了本发明的另一可替代的实施方式。超声波换能器单元20发射和接收沿着测量路径64移动通过管道54的超声波信号。如前面的实施例，测量路径64在此具有多个路径区段64a、64b、64c。
与图3中的实施例不同，用于将超声波信号反射回来的反射器60由管道54的管壁56本身形成。在此，管道54具有u形弯曲部。
在第一测量中，超声波换能器单元20沿着测量路径64的第一路径区段64a发射超声波信号，其中，在第一测量中超声波信号的传播方向由实线箭头64.1表示。在管壁56上反射之后，超声波信号沿着第二路径区段64b到达反射器60，该反射器60由管壁56形成并且沿着第三路径区段64c将超声波信号反射回到超声波换能器单元20。
在第二测量中，超声波换能器单元20在相反的传播方向(由虚线箭头64.2表示)上沿着测量路径64的第三路径区段64c朝向反射器60的方向发射超声波信号。在反射器60上反射之后，超声波信号沿着第二路径区段64b到达管壁56，管壁56沿着第一路径区段64a将超声波信号反射回到超声波换能器单元20。
通过管道54的u形几何形状，测量路径64这样延伸通过流体18，使得第三路径区段64c基本上平行于流体18的流动延伸，而另外两个路径区段64a、64b基本上垂直于流体18的流动延伸。因此，超声波信号在第一路径区段和第二路径区段64a、64b上的传播速度受流体流动的影响很小。
在超声波换能器单元20和反射器60之间的第三路径区段64c上，超声波信号受管道54中的流体流动和流体的速度的影响较大。由此，用第二测量测得的超声波信号逆着流动方向(通过虚线箭头示出的测量路径)的传播时间长于用第一测量测得的顺着流动方向(通过实线箭头示出的测量路径)的传播时间。因此，利用本发明的这种实施方式也可以通过评估这两种测量的传播时间差来计算流体18的平均流速。

Claims (13)

1.一种用于测量流体(18)的流量的设备，所述设备具有：
测量传感器(12)，所述测量传感器具有用于流体(18)的具有管壁(16)的管道(14)，
至少一个相控阵列超声波换能器单元(20)，所述超声波换能器单元能够以不同的发射角(γ)发射超声波信号并从不同的接收角(φ)接收超声波信号，
控制和评估单元(28)，所述控制和评估单元被设计用于控制所述超声波换能器单元(20)沿着测量路径(34、432、434、436、64)发射超声波信号并评估所接收的超声波信号并且使用所述超声波信号的传播时间来确定流量，
其中，所述测量传感器(12)具有至少一个反射器(30、430、50)，所述反射器被设计用于将由所述超声波换能器单元(20)发射的超声波信号反射回到同一超声波换能器单元(20)，其中，所述超声波信号在至少三个不同的路径区段(34a-34c、432a-432c、434a-434c、436a-436c、64a-64c)上通过所述测量路径(34、432、434、436、64)从所述超声波换能器单元(20)到所述反射器(30、50)并返回到所述超声波换能器单元(20)，
其特征在于，
所述测量路径(34、432、434、436、64)是不沿直径延伸通过所述管道(14)的中心轴线(26)的割线路径。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述控制和评估单元(28)被设计用于控制所述超声波换能器单元(20)，使得所述超声波信号在第一传播时间测量中沿第一方向(34.1、64.1)通过所述测量路径(34、64)，并且在第二传播时间测量中沿与所述第一方向相反的第二方向(34.2、64.2)通过所述测量路径，并且根据所述传播时间测量中得到的差确定流体(18)的平均流速(v)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述超声波换能器单元(20)被集成在所述管壁(16)中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述超声波换能器单元(20)被设计为超声波换能器(22)的二维阵列。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述超声波换能器单元(20)被设计为一维阵列，其中，接收的超声波信号相对于所述超声波换能器单元(20)的标称的发射平面和接收平面具有最大与所述超声波换能器单元(20)的容许角度一样大的角度。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述容许角度的量值小于10度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述测量路径(34、432、434、436)的位于反射器(30)和超声波换能器单元(20)之间的路径区段(34c、432c、434c、436c)相对于所述管道(14)的中心轴线(26)以小于20度，优选小于15度的路径角(β)延伸。
8.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述超声波换能器单元(20)被定向成使得所述超声波信号以量值相同的发射角(γ)和入射角(φ)被发射并且在通过所述测量路径(34、432、434、436)之后被再次接收。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述控制和评估单元(28)被设计用于控制所述超声波换能器单元，以跟踪作为流体(18)的平均流速(v)的函数的所述发射角(γ)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，对于至少一个路径区段(34a-34c)，比率r/R介于0.3和0.65之间，其中，R是所述管道(14)的半径(R)，r是所述路径区段(34a-34c)与所述管道(14)的中心轴线(26)的最短距离(r)。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，至少两个路径区段(34a-34c)具有不同的比率r/R。
12.一种用于测量在管道(14)中流动的流体(18)的流量的方法，所述方法具有以下步骤：
利用由控制和评估单元(28)控制的相控阵列超声波换能器单元(20)沿着测量路径(24、34、64)在所述管道(14)中发射超声波信号，
利用同一超声波换能器单元(20)接收通过所述测量路径(24、34、64)之后的所发射的超声波信号，
利用所述控制和评估单元(28)评估所接收的超声波信号并且使用所述超声波信号的传播时间来确定流体(18)的流量，
其中，由所述超声波换能器单元(20)发射的所述超声波信号被至少一个反射器(30)反射回到所述超声波换能器单元(20)，其中，所述超声波信号在至少三个不同的路径区段(34a-34c、432a-432c、434a-434c、436a-436c、64a-64c)上通过所述测量路径(34、432、434、436、64)从所述超声波换能器单元(20)到所述反射器(30、430、50)并返回到所述超声波换能器单元(20)，
其特征在于，
所述测量路径(34、432、434、436)是不沿直径延伸通过所述管道(14)的中心轴线(26)的割线路径。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于具有另外的步骤：
在第一测量中发射所述超声波信号，使得所述超声波信号在第一传播时间测量中沿第一方向(34.1、64.1)通过所述测量路径(34、64)，并且在第二传播时间测量中沿与所述第一方向相反的第二方向(34.2、64.2)通过所述测量路径(34、64)，以及
根据所述第一传播时间测量和所述第二传播时间测量中得到的差确定流体(18)的平均流速(v)。
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