CN1344914A - 超声波流量测量方法 - Google Patents

Abstract

一种超声波测量方法,包括以下步骤:选择与用于测量流速的超声波输送轨迹线成直角的一个断面区域作为流量测量所必需的断面区域;并且把直接由超声波测量出的对应于超声波输送轨迹的方向的流速分量乘以断面面积,从而计算出流量或流率,这样能够显著地降低流量测量误差和断面面积的测量误差,从而提高了流量测量的精确度。

Description

超声波流量测量方法

本发明涉及一种超声波流量测量技术，尤其涉及一种用于在多个流体流动断面上测量流速然后计算出流量或流率的超声波流量测量方法，如果超声波传感器安装在已经布置到位的管子上的话。

通常的超声波流量测量方法是基于如下的基础技术背景：设计一个超声波单通道流量计，以采用超声波测量出在流体流动断面的一部分上(例如在管子的内部直径上)的流速V_D，并且用流速V_D乘以流动系数K以及流体断面面积S，以计算出流量。超声波多通道流量测量方法包括以下步骤：采用超声波测量出流速V_D以及在被分成多段的弦上的流速，从而计算出一个流体流动断面的平均流速Vs，并且用Vs乘以断面面积以计算出流量。另一个已知的方法是在一个敞开的水道中测量出多个水深处的平均水平流速以计算出流量。

以下专利披露了传统的超声波流量测量方法和装置：

1996年7月2日授权的美国专利No.5,531,124；

1987年7月25日授权的美国专利No.4,646,575；

1989年8月29日授权的美国专利No.4,860,593；

1998年7月14日授权的美国专利No.5,780,747；

1996年7月25日授权的美国专利No.4,676,321；

1999年9月27日授权的俄罗斯专利No.2,138,782。

这些已知的超声波测量方法具有以下共同特征：

1)选择一个流量测量断面作为一个与流体流动方向成直角的断面S。在管道的情况中，选择相对于中心线为矩形的断面。

2)因此，计算出沿着与首先通过超声波测量出的断面垂直的方向的流速。在那时，假设流速的方向与流体流动方向一致。

3)超声波流速测量方法包括一种频率差方法和一种相位差方法，但是这些方法是基于已经被广泛地采用的传输时间差方法。

传统的传输时间差流速测量公式如下： $V=\frac{L^2}{2d}\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2}=\frac{L^2}{2d}\frac{\mathrm{\Δt}}{t_1{t}_2}----\left(1\right)$

其中，L为成对的传感器1和2之间的间距，d为L的投影距离，其中d＝Lcos，t₁为沿着流速方向从成对的传感器1到成对的传感器2的传输时间，而t₂为沿着与流速相反的方向从成对的传感器2到成对的传感器1的传输时间(参照图1)。

超声波单通道流量计算方法的流量计算公式如下：

Q＝K·V_D·S                       (2)

其中，K为流量系数，V_D为在将通过公式(1)测量的直径线上的流速，而S为如上所定义的断面面积，例如管道的内部断面面积。

用于超声波多通道流量测量方法的一个流量计算公式如下：

Q＝V_s·S                          (3)

其中，V_s为在将通过公式(1)测量的多条弦上的总平均流速。

大部分超声波流量计的特征如下：不象其它流量计，它把传感器安装在已经被安装到位的管道上就能够进行流量测量。甚至在流体被输送通过管道的条件下，由于技术的进步，这些传感器也能够通过钻进工作被安装在管道上。由于这些特征，所以经常采用超声波流量计。

尤其是，即使在K＝常量的条件下，该超声波多通道流量测量方法也可以测量出流量，例如管道的笔直部分的距离为至少25D，并且Re＞10⁴不是固定的，并且流速分布不是一个正常的状态，或者如果管道的内部直径相对更大。因此，这个特征使得该超声波流量计能够被用作更大管道的流量计。

图2显示出用于测量流速的五条弦，但是如果需要的话可以增加弦的数量。如图2所示，为了使d＝L_i·cos_i＝常量，成对的传感器1_i和2_i的安装角度_i相互不等。

如在公式(2)和(3)中所表示的，流量测量误差δ_Q被看作流速测量误差δ_V以及断面面积测量误差δ_S的总和。在超声波单通道流量测量方法中的流量测量误差δ_Q如下：

δ_Q＝δ_K+δ_VD+δ_S               (4)

在超声波多通道流量测量方法中的流量测量误差δ_Q如下：

δ_Q＝δ_Vi+δ_M+δ_S                    (5)

其中，δ_K为流量系数误差，δ_M为伴随着用在多条弦上测量出的流速V_i计算出一个断面的平均流速而产生的误差，例如公式的近似积分误差 $V_S=\frac{1}{2R}{\∫}_{-R}^{+R}V\left(r\right)\mathrm{dr}.$

在公式(4)和(5)中，流量测量误差δ_Q由流速测量误差δ_V和断面面积测量误差δ_S来确定。因此，为了提高流量测量的精确度，要显著地降低流速测量误差δ_V和断面面积测量误差δ_S。在流速测量公式(1)中，假设传输时间测量误差包括一个偶然误差成分，那么流速测量误差的公式如下： $\mathrm{\δ}=(2{\mathrm{\δ}}_L+{\mathrm{\δ}}_d)+\sqrt{{{\mathrm{\δ}}^2}_{t1}+{{\mathrm{\δ}}^2}_{t2}+{{\mathrm{\δ}}^2}_{\mathrm{\Δt}}}=(2{\mathrm{\δ}}_L+{\mathrm{\δ}}_d)+A---\left(6\right)$ $A=\sqrt{{{\mathrm{\δ}}^2}_{t1}+{{\mathrm{\δ}}^2}_{t2}+{{\mathrm{\δ}}^2}_{\mathrm{\Δt}}}$

其中δ_L为间距L的测量误差，δ_d为d的测量误差，其中L和d是在被测量出之后要被输入算术逻辑处理器或微处理器的常量。因此，δ_L和δ_d的符号不会改变。换句话说，这些误差是一种固定误差。δ_t1、δ_t2和δ_Δt为每个传输时间t₁和t₂的误差，并且Δt＝t₂-t₁。

如在公式(6)所表示的，即使t₁和t₂是在把A减小到足以被忽略的条件下被精确地测量出的，如果δ_L和δ_d相对更大的话，那么流速测量误差δ_V也会变得更大。在这里，L的测量误差δ_L要乘以2是因为L₂的缘故。在管道的情况中，断面面积S是通过测量出内部直径D来计算出的： $S=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}$

断面面积的计算误差公式如下：

δ_S＝2δ_D                            (7)

其中，δ_D为内部直径D的测量误差。

因此，几何整数或常量L，d，D的测量误差如下面公式一样表现为一个流量测量误差：

δ_Q＝(2δ_L+δ_d+δ_D)+A                (8)

这些误差为表示成一个其符号已知的算术总和的固定误差。

在凸缘式流量计的情况中，内部直径D被测量几次以获得其平均值 D，因此δ_S＝2δ_D被固定以变得更小。但是，测量出传感器之间的间距L_I并不简单。有一种能够准确测量出内部直径的测量装置，但是没有能够直接测量出与管道轴线呈夹角设置的传感器之间的超声波传输距离L_i的精确测量装置。为此，很难把δ_Li的数值固定到小至足以被忽略的程度。通过测量出间距和传感器的安装角度来计算出的投影距离d＝Lcos的测量误差δ_d的公式如下：

δ_d＝δ_L+δcos                    (9)

在这里， $\mathrm{\δ}\cos \mathrm{\φ}=\frac{\cos (\mathrm{\φ}\±\mathrm{\α})}{\cos \mathrm{\φ}}=\cos \mathrm{\α}\stackrel{-}{+}\tan \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\α}-1$

因此，δ_d的计算公式如下：

δ_dMAX＝δ_L+(cosα+tansinα-1)    (10)

其中，α为所要测量的角度的绝对误差，例如如果＝45°并且α＝0.25°的话，那么δcos≈0.44％。几何距离的测量误差δ_h的计算公式如下：

δ_h＝2δ_L+δ_d+2δ_D≌3δ_L+2δ_D       (11)

但是，如果传感器都是安装在已经被安装到位的管道上的话，那么就不能够直接测量出管道的内部直径D。另外，由管子制造商规定的内部直径有一个预定的偏差。如果涂有一层防腐层的话，那么就不能确定出其厚度。由于这个缘故，通常内部直径的绝对误差大约为2-4mm。如果ΔD＝4mm的话，那么δ_D＝4×100/600≌0.67％，并且δ_S＝2×0.67＝1.34％。

另一方面，公开了一种采用超声波准确测量出传输距离L_i的方法。在管道的流体中的声波速度C通过一种三点式方法测量，然后测量出成对传感器之间的传输时间t_1.2，这样L＝C×t_1.2，这就给出了L的准确数值。例如，在1996年7月2日公开的美国专利No.5,531,124中所披露的一种方法包括以下步骤：测量出成对的传感器之间的传输时间t_1.2，把一个传感器以ΔL的深度插入进管子中，并再次测量出传输时间t_Δ，从而测量出在管子内部直径上的流速。 $t_{1.2}=\frac{L}{C};t_{\mathrm{\Δ}}=\frac{L-\mathrm{\ΔL}}{C};t_{1.2}-t_{\mathrm{\Δ}}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{C}-----\left(12\right)$

L_i＝C(t_1.2)i                   (13)

如果传输时间t_1.2和距离ΔL是被很精确地测量出的话，那么L_i的误差就会更小。相反，如果内部直径越大的话，那么由公式(12)和(13)获得的L_i的误差也会变得越大。原因如下：由公式(12)得到的声波速度C是在间隔ΔL中的声波速度，但是它不等于在该间隔ΔL中的声波速度。换句话说，如果与管壁距离一个预定距离的间隔ΔL的流体温度并不与所有间隔L_i的平均温度一致的话，那么由公式(12)得到的声波速度C就不会与间隔L_i中的声波速度C_Li相同。如果 的话，那么C就等于C_Li。但是，如果管子的内部直径更大的话，那么用于测量声波速度的传感器的长度就要延长，因为L_i变得更大了。

本发明的一个主要目的在于提供一种超声波流量测量方法，它用于测量多个流体流动断面上的流速然后计算出流量或流率，如果超声波传感器安装在已经被布置到位的管子上的话。

本发明的另一个目的在于提供一种超声波流量测量方法，它可显著降低测量和计算流速和流量时的几何整数误差成分。

本发明的另一个目的在于提供一种超声波流量测量方法，用于使每对传感器的安装角度相同，以利于把传感器安装在已经布置到位的管子上。

根据本发明，一种超声波流量测量方法包括以下步骤：选择以呈45°的角度剖切的管子的一个内部断面区域S_作为流量测量断面，其中内部断面区域S_为椭圆形或卵形，把成对的传感器安装在内部断面区域S_中具有长直径的两点处，沿着椭圆的周边将预定数量的成对传感器安装在长直径的中心的两侧，利用超声波测量出在该椭圆的多条弦上的流速，计算出内部断面区域S_的平均流速，并且用内部断面面积S_乘以该平均流速，以测量出流量或流率，其中内部断面区域S_的长直径利用超声波测量出来。

下面参照附图对本发明进行详细描述，其中：

图1显示了根据现有技术的一种超声波流速测量方法；

图2A和2B示出了现有技术的一种超声波多通道流量测量方法的结构；

图3的示意图示出了根据本发明选择流量测量断面的方法；

图4的示意图示出了根据本发明通过安装多对成对的传感器来测量流量的方法；

图5的剖面示意图显示出了用于准确测量出根据本发明的成对传感器之间距离的声波速度测量装置；以及

图6A和6B的示意图示出了测量一水道中的流量的方法，其中图6A的平面图显示出用于测量多个水深处的水平平均流速的成对传感器的安装状态，而图6B为图6A的剖面视图。

流量或流率Q是把与流速方向成直角的断面面积S乘以断面平均流速Vs得出的。如果在管子流动的流体的流速方向对应于管子的中心线的话，那么采用超声波在第一步中所要测量出的流速V_L如下所示：

V_L＝Vcos                 (14)

因此，把与流速方向成直角的断面面积S_e乘以断面流速V_L所得到的值q与把流速V与断面面积S相乘得到的值相同。

q＝V_L·S_e＝V·S          (15)

这样一种关系表示在图3中。在图3中，断面面积S根据下式计算： $S=\frac{\mathrm{\π}{D}^2}{4}$ 椭圆形的断面面积S_e如下式一样计算： $S_{e\⊤}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{L}_{e}D$

其中L_e为椭圆S_e的长直径，并且D为等于管子内部直径的短直径。长直径L_e计算如下： $\mathrm{Le}=\frac{D}{\cos \mathrm{\φ}}$

因此，S_e根据下式计算：

把公式(16)代入公式(15)，然后代入公式(14)代替V_L。由此可以得到以下公式。

如果＝45°的话，假设椭圆的面积为S_e并且成对传感器1和2都安装在形成该椭圆的长直径的两个顶点上，那么成对传感器之间的间距L可看作椭圆S_e的长直径。如果≠45°的话，那么椭圆面积S_e按下式选择：

其中，L为设置在椭圆的长直径的两个顶点处的成对传感器1和2之间的间距，并且L_e＝Ltan是长直径。

如果＝45°的话，例如tan45°＝1，S_e＝S_，那么其长直径为L。

由超声波传输时间差方法测量出的流速V_L的方向对应于把成对传感器1和2相互连接起来的直线L的方向，并且流速V_L的计算公式如下： $V_L=\frac{L}{2}\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2}---\left(18\right)$

公式(18)推导如下： $t_1=\frac{L}{C+V\cos \mathrm{\φ}}=\frac{L}{C{+V}_L}$ $t_2=\frac{L}{C-V\cos \mathrm{\φ}}=\frac{L}{C-V_L}$

因此，从上面的公式可以建立如下的相应的公式： $C+V_L=\frac{L}{t_1}---\left(a\right)$ $C-V_L=\frac{L}{t_2}----\left(b\right)$

也就是说， 是从如下公式得到的： $2V_L=L\frac{t_2-t_1}{t_1{t}_2}$

因此，可建立起公式(18)。在这里，据称传输时间法取决于声波速度C²，但这实质上是错误的。

如图4所示，如果＝45°的话，多个成对的传感器沿着具有长直径L的椭圆的周边安装，测量出在椭圆形断面区域S_的多条弦上的流速V_Li以计算出平均流速V_S，然后把该平均流速V_S乘以椭圆形断面面积S_以得到流体通过管子的流量或流率Qm²/s。并且，成对传感器1_i和2_i的安装角度彼此要相等。换句话说，必须固定在45°的相同角度上。因此，与现有技术相比较而言，就容易把成对的传感器安装在管子上，因为沿着管子的切割角度成对的传感器是以相同的角度＝45°安装的。这样，就没有必要计算出进入对应于管子中心线的流速方向分量的流速V_L。

在公式(18)中，流速V_L的测量误差δ_VL通过下式计算： ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{VL}}={\mathrm{\δ}}_L+\sqrt{{{\mathrm{\δ}}^2}_{t1}+{{\mathrm{\δ}}^2}_{t2}+{{\mathrm{\δ}}^2}_{\mathrm{\Δt}}}={\mathrm{\δ}}_L+A----\left(19\right)$

公式(19)与基于现有技术的流速V的测量误差公式(5)相比较如下：

δ_V-δ_VL＝(2δ_L+δ_d+A)-(δ_L+A)＝δ_L+δ_d       (20)

换句话说，在相同的条件下测量误差减小了δ_L+δ_d。然后，断面面积的测量误差δ_D和δ_Sψ之间的比较如下：

δ_S＝2δ_D

δ_Sψ＝δ_L+δ_D

如果δ_L＜＜δ_D的话，那么椭圆形断面面积S_的测量误差比传统技术降低了两倍。因为不可能直接测量出管子的内部直径，所以，当成对的传感器都安装在已经安装到位的管子上时候，δ_D越大效果越明显。例如，如果δ_D＜1％，δ_S＝2δ_D＝2.0。如果通过准确地测量出L_e和L 而可以忽略δ_L的话，那么δ_Sψ＝δ_D＝1％。

准确地测量出L的方法如下：

当成对的传感器被安装在管子上的时候，预先安装好一个阀。如图5中所示，通过打开管子的阀门以使容器3充满流体。测量出该容器的流体中的声波速度。为此，一个支承杆6包括有传感器4和5，这两个传感器彼此相隔一个预定的间距。支承杆6被设置在容器3中的一个预定深度处。首先，设置传感器4和5，以使它们之间具有一个间距l₁，以测量出超声波传输时间t_l1。然后，将传感器5移动一个附加距离l₁，这样l₂＝2l₁。在那时，就测量出传输时间t_l2。因此，建立了下列公式： $t_{l1}=\frac{l_1}{C}+\mathrm{\τ}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δt}}$ $t_{l2}=\frac{{2l}_2}{C}+\mathrm{\τ}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\Δt}}$

其中，τ为电子信号在传输时间测量电路中的延迟时间，而Δt为传输测量电路的固定绝对误差。

声波速度C是利用t_l1和t_l2按如下公式计算得到的： $C=\frac{l_1}{t_{l2}-t_{l1}}---\left(21\right)$

如果t_l1和t_l2的偶然误差为 ，误差Δtl＝t_l2-t_l1的公式如下： ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δtl}}=\frac{\sqrt{2{{\widetilde{\mathrm{\Δ}}}^2}_t}}{t_{l2}-t_{l1}}=\frac{1.4\×{\widetilde{\mathrm{\Δ}}}_t\×C}{l_1}----\left(22\right)$

因此，就容易把

固定等于2·2^-9·S。如果l₁＝0.5m并且C＝1500m/s，那么测量误差的公式如下： ${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{\Δtl}}=\frac{1.4\×2\×{10}^{-9}\×1500}{0.5}\×100=8.4\×{10}^{-3}\%$ 在l₁＝0.5m的情况下，就容易在±0.5m的误差范围内测量出l₁。例如， ${\mathrm{\δ}}_{l1}=\frac{0.05\×100}{500}=0.01\%$

因此，声波速度C的测量误差δ_C的公式如下：

δ_C＝δ_l+δ_Δtl＝0.01+8.4×10^-3＝0.01％

由于成对传感器之间的传输时间t_i是采用声波速度C测量出的，因此成对传感器之间的间距L_i可以采用L_i＝C×t_i被准确地测量出。

如果安装超声波流量计的成对传感器的管道的一部分是做成凸缘的话，那么就要把管子的一个侧面堵住以不让液体从中泄漏出来。把该管子垂直地抬起以完全充满液体，然后把如图5中所示的声波测量装置设置在管子中以通过测量出声波速度来得到间距L_i。象这样的声波速度测量方法也被称作三点式测量方法。

根据本发明，流量测量方法包括以下步骤：测量出流体对应于超声波传输轨迹L的流动速度分量V_L，该分量与流体的流动速度方向成一个特定的角度，以便通过超声波测量出流体流经管子的流动速度V，然后把流动速度分量的数值乘以流体断面面积S_e，从而计算出流量或流率。即使流动速度V的方向与管子的中心线不同，例如在管子的弯头附近的位置处测量流量，也不会出现大的误差。

本发明的流量测量方法也可用于一个敞开的水道，该水道如图6A和6B中所示。把成对的传感器1_i和2_i设置在一条与敞开水道的中心线成45°的角度的直线上的多个深度处。把断面区域S_当作流量测量断面，通过测量出沿着间距L_i的直线的多个深度来计算出该面积。在敞开水道的断面以一个等于Lcos的间隔d均匀分布的条件下，可以非常准确地测量出流量，即使由于敞开水道的上游或下游的弯曲部分的缘故而使弯曲流量分量的流动速度增加也可以准确地测量出流量，而不用确定出弯曲流量的角度。

另一个效果如下：如果成对的传感器如图6中所示根据传统方法沿着虚线I和II安装的话，那么成对的传感器的安装角度彼此就不相同。因此，就应该调整成对传感器的安装角度，但是调整工作非常难以进行，因为，成对的传感器是浸在流体中的。相反，根据本发明，成对传感器是设置在间距为L的直线上的，并且它们的安装角度彼此相同。因此，本发明只要求通过调整成对传感器的支承杆来调整角度。

如上所述，本发明着重说明了采用传输时间差方法来测量出流动速度V_L的方法，但是本发明如果采用相位差方法也能达到同样的效果。

Claims (4)

1.一种超声波流量测量方法，用于利用超声波测量出流体断面上多条弦处的流速并用所测出的流速乘以流体断面面积从而计算出流量，它包括以下步骤：

选择一个以与流速方向呈45°的角剖切流体的断面区域S_作为流量测量断面；

利用超声波测量出分割断面区域S_的多条弦上的流速，以计算出断面区域S_上的流速；并且

用断面面积S_乘以断面流速，以计算出流量，其中如果角度没有固定为45°的话，用于流量计算的断面面积为S_tan。

2.如权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，

该超声波流量测量方法还包括以下步骤：如果该超声波流量测量方法适用于一管子的话，选择椭圆形式的断面区域S_，在该椭圆的具有长直径的顶点上安装一对用于测量流速的传感器，并且通过参照所述顶点在其左侧和右侧安装另一对传感器，以形成用于超声波流速测量的多通道。

3.如权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，

该超声波流量测量方法还包括以下步骤：如果该超声波流量测量方法适用于一个敞开水道的话，设置成对的传感器，以测量在沿着与对应于敞开水道的两侧壁的倾斜表面的断面区域S_接触的周线的多个深度处的水平平均流速。

4.如权利要求2所述的超声波流量测量方法，其特征在于，

计算断面面积S_的步骤包括：利用安装在形成椭圆形断面区域S_的长直径的两个顶点上的成对传感器之间的间距L以及一种三点式测量方法测量出声波速度，并且把该声波速度乘以在成对传感器之间的超声波传输时间，从而得到椭圆的长直径。

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