TW201237372A - Flowmeter and a method for detecting gas flow rates in a pipe - Google Patents

Description

201237372 、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本，明有關於-種流量計’該流量計透過超音波傳感器 里測導官内的氣體鱗，超音波傳感器發送訊號穿過窗口而後 至氣流以及來自氣流軌财過窗口而後被超音波傳感器所 接收’窗口由含壓材料製成且與供氣流通過之通道進行聲通 訊。（本發明有數個實施例’但並非每一實施例都揭露於附加 之申請專利範圍）。更特別地，傳感器殼體聲隔離傳感器，以 便改良接收之聲訊號的訊號_雜訊比。 【先前技術】 此段落介紹數個相關於本發明的技術，在閱讀此段落 時’應秉持此段落的敘述是為了幫助讀者更暸解本發明，而非 承§忍所有的技術均為習知。 在流量計中，傳感器用於接收及傳送超音波訊號。本發 明解決數種問題，而這些問題包括：現行的流量計，如要拆除 或更換傳感H ’必珊導管氣體進行闕或是使顯來更換超 音波傳感器之特殊工具；此外，未直接接觸容納於導管内之氣 體的傳感騎常其傳纽能較差，13而導致產生的訊號對於氣 體的偵測能力較弱。目前的氣體流量計採用的傳感器為氣體濕 度傳感器’氣體濕度傳感器直接接觸於氣體，但沒有使用特殊 工具或是對導管内的氣體進行降壓，仍然無法拆除氣體濕度傳 感器。 擺置傳感器於導管壓力之外部之傳統的傳感器殼體，例 如使用於液體流量計的傳感器殼體。一旦聲訊號無法使用，傳 201237372 感器殼體便不被使用，一旦通過傳感器殼體所造成之聲損失與 設置傳感器殼體所產生的雜訊結合後會使得聲訊號無法使 用’如此傳感器殼體會不被使用。 •傳統的傳感器殼體不運作於氣體環境因為兩個理由：第 一個理由，現行的傳感器殼體具有厚度薄的金屬製窗口，而此 種窗口與氣體之聲阻抗的匹配較差，而因此無法傳送聲音至氣 體。第二個理由，傳統的傳感器殼體牢固地連接於金屬本體。 這些金屬連接提供路徑以聲音被傳送經過金屬本體，而沒有經 過氣體，因而導致較差的訊號-雜訊比。 目前的超音波氣體流量計具有濕度傳感器，而濕度傳感 器暴露於含有氫硫化物或其他污染物成分的氣體之中。氫硫化 物會破壞由錫接頭與環氧化物所製成之傳感器，其中錫接頭及 環氧化物電性地及機械性地連接於傳感器之内。目前的超音波 氣體流量計，金屬塞放置於傳感器之後側以維持導管壓力以及 避免氣體外漏。所以如果當傳感器失效而必須替換傳感器之 時，需要使用特殊工具，而該特殊工具避免傳感器由於導管之 氣體壓力而以高速衝出流量計之外。如果沒有正確地操作該特 殊工具，會對於更換者造成致命的危害，因為傳感器基於導管 氣體壓力而變成拋射物。此外，外漏的氣體通常具有高度的可 燃)1 生而匕成更換者以及附近的其他人造成致命的危害。如果 基於安全理由先對導管進行降壓後才替換傳感器，會終止導管 流動而產生損失。 目刖金屬材料的氣體流量計乃使用壓電陶瓷材料(PZT) 之傳感器或是Tonpilz型傳感器，而這類型傳感器之頻寬較窄 且訊號-雜訊比也較差。對於氣體流量計而言，最佳的超音波 201237372 操作頻率範圍在lOOkHZ至300kHZ。結果造成氣體流量計量 測傳輪時間之準確性較差。目前的氣體流量計的各部位之間也 有金屬對金屬之接觸，甚至是與濕度傳感器也有金屬對金屬之 接觸，當外殼包圍金屬材料之傳感器，如此一來，流量計由於 聲雜訊的緣故而導致所產生的訊號較弱。 【發明内容】 本發明提供一種精確且可靠的氣體流量計，導管設有一通 道’氣體以及上游傳感器及下游傳感器所產生之平面波傳輸於 通道中。通道内定義兩個跨越通道的平面但不限制只能為兩 個，也可多於或少於兩個。超音波傳感器設置於所定義之平 面。氣體流量計還具有—個重要的特色，就是不需要使用特殊 工具，是對導管降壓，更換者也可安全地檢查或更換傳感器， 主要是因為傳感器殼體可支撐傳感器以及保存導管壓力。 【實施方式】 本發明的圖式中有許多相似或相_部件，特別是第】 圖至第3圖。如第i圖至第3圖所示，揭露一種用於偵測導管 12内之氣體流率的流量計1G，而顧量計⑺包含有一容哭 Π、=凹槽15、及—殼體14，其中導管12具有—供氣“ 1之通道17 ’而容器U連接於導管12。該些凹槽15延伸穿 過於容器11。各凹槽15中設有一殼體14，而殼體14可保存 通道17之壓力。每一殼體14具有—窗口24，而窗口 ％可盘 通道^間進行聲通訊。流量計1G觀含_傳感器A 該些傳感器32分別設於該些凹槽15。傳感器32所傳送之超 201237372 音波訊號，先經_體14内之窗口 24而後 或是由通道π傳來之超她隨，先σ 24 感器32所接收。流量計10還包括有一控制器20，該控= 20電連接於該些傳感器32，而傳感器％藉由量測傳送^ : 超音^訊號之時間以計算出通道17的氣體流率。 接收 窗口 24 #厚度小於超音波訊號於窗口 24之材料 長的四分之—。窗口 24的厚度為超音波訊號於窗π 24之材^ 内之波長針分之-。該些傳感器32分別設於凹槽Μ執 體η。殼體為壓力邊界以保存通道17内之塵力，而實質地ς 免通道17内的氣體漏入殼體14内。殼體14形成通道 密塞。 不需對導管12降壓或是使用拆除工具，也 移除於蝴15，其帽駐由壓力絲元絲保存通道 Π内的壓力。通道17内定義有跨越通道17的—第一平面a 及-第二平面B ’第-平面A及第二平面B上各有第一路徑 及第一路役’傳❹32所傳送麟触之超音波訊號分別行 進於第一路徑及第二路徑。 仙里计ίο可包含數個隔聲器22以將殼體14與容器u 作聲隔離。傳感器32可麵合於窗口 24。窗口 24可由金屬或 塑膠所製成’窗口 24可為鈦、聚二峨峨脂(PEEK)、或聚苯 乙烯(PPS)所製成。 每一傳感器32可為寬頻壓電組成物傳感器 band piezGelectrio composite transducer)，其耦合係數大於 17，而聲 阻抗小於34Mmyls。 有關於本發明之殼體14，如第4圖所示，流量計丨〇之傳 201237372 感器32插入於容器11之凹槽15，而氣體流經於凹槽15。殼 體14包含有一外殼25，而傳感器32設於外殼25内。外殼25 具有一外表面、該外表面突設有一凸緣34，而數個聲肋條26 设於靠近於外殼25的一端，且傳感器32發送的訊號由外殼 25的該端發送。外殼25改善訊號-雜訊為大於1〇〇:1，聲肋條 26減少至少25%的不含氣體之聲音路徑。 殼體14可包含有一隔聲器22,隔聲器22設於殼體14周 圍，當傳感器32設於容器η之凹槽15，隔聲器22位於容器 11與殼體14之間，以便隔聲器22隔離容器n與殼體丨4，所 以殼體14不接觸於容器n。隔聲器22可包含數個盤體，而 盤體设於殼體14之凸緣34周圍。盤體可由塑膠、泡珠塑料、 或橡膠所製成。阻抗匹配材料不使用於外表面以便改良訊號由 傳感器32至氣體的傳輸’但使用的窗口 24的厚度小於四分之 一的波長以使得訊號可穿透窗口 24。殼體14與容器11之間 可沒有金屬對金屬之接觸。 有關於本發明之偵測導管内之氣體流率的方法。該方法 包括有傳感器32傳送超音波訊號之步驟，其中，超音波訊號 先經過金屬製成的窗口 24,而後傳送至可供氣體流通之通道 17。該些傳感器32分別設於容器11的凹槽15中，容器11連 接於導管12，而窗口 聲通訊於通道17 ;該方法包括有傳感 為32接收從通道17而來之超音波訊號，超音波訊號先穿過窗 口 24，而後被凹槽15中的傳感器艾所接收。該方法包括藉 ，控制器20去量測傳感器32傳送及接收超音波訊f虎之步驟所 花的時間，以計算出通道Π中的氣體流率，其中控制器20電 通訊於該些傳感器32。 201237372 窗口 24為壓力邊界以保存通道17的壓力以及避免通道 17内的氣體漏入殼體14内’窗口 24形成殼體η之氣密塞， 本發明還包括更換傳感器32之步驟，當更換傳感器32時，更 換者不需對通道17進行降壓或是使用拆除工具，而拆除工具 透過壓力保存元件來拆除傳感器32，而壓力保存元件可保存 通道17的壓力。 通道17内定義有跨越通道17之第一平面a及第二平面 B，第一平面A上設有第一路徑，第二平面B上設有第二路徑， 傳送超音波訊號的步驟包括所傳送的超音波訊號行經於第一 路径及第一路徑。接收超音波訊號的步驟包括所接收的超音波 訊號行經於第一路徑及第二路徑。本發明還包括透過隔聲器 32來隔離殼體14與容器η的步驟，其中殼體14設於凹槽15 中，而傳感器32設於殼體14内。本方法還包括施力於傳感器 32以維持傳感器32與窗口 24相接觸之步驟。 傳送超音波訊號的步驟包括：第一路徑之上游傳感器16 產生平面波傳送至通道17，且第一路徑之下游傳感器丨8接收 平面波；接收平面波之下游佩器18產生下游傳感訊號；下 游傳感器18產生平面波傳送至通道17且上游傳感器16接收 平面波；接收到平面波之上游傳感器16產生上游傳感訊號； 以及控制器2G透過量測上游佩器16及下游傳感器18產生 及接收訊號所花的時間，以便計算出氣體流率。 更，傳感H之步驟還可包含：不f使用拆除工具也可更 換#^ 32彳斥除卫具透過壓力保存元件讀拆除傳感器 32。坚城存元件具有_且可承受壓力的罩子，藉此傳感器 32可於縣子物晴於容器11 ^且通道Π _氣體會 201237372 流入罩子内，而不會外漏至容器u的外部。更換傳感器之步 驟還可包含：不需使用閥門去塞住已拆除傳感器32之凹槽15 以允許拆除工具内部的罩子漏氣。 關於本發明之拆除工具，當傳感器位於氣體中時，可具 有以下功能： 1、 提供密封且可承受壓力的罩子，藉此傳感器可於罩子的内 部脫離於容器(藉此破壞垂直方向之壓力的障礙)，而且通道 内的氣體會流入罩子内，而不會外漏至容器的外部。 2、 可於拆除工具之内將傳感器拆除。 3、 移除傳感器後所形成的開口，通常使用閥門去關閉，藉此 允許拆除工具内部的封閉空間可以漏氣，以及被拆除工具 包圍住的傳感器（可能並非完全地包圍住），可以加以被移 除。 4、 可於拆除工具所包圍的空間内放置完整功能的傳感器。 5插入新的傳感器於容器，並加以固定傳感器以及測試傳感器 與容器之間的接合緊密度，隨後可拿開拆除工具。 有關於本發明流量計10之傳感器32。如第5圖所示，傳 感β 32包含有一外殼58。傳感器32包含有寬頻壓電組成物 50,而覓頻壓電組成物50設於外殼58之内，而寬頻壓電組成 物50之耦合係數大於17而且聲阻抗小於34 Mrayls。傳感器 32可包含有一變壓器30，該變壓器3〇匹配於傳感器32的^ 阻抗。 一在其他實施例中，殼體14以及傳感器32可直接使用於 導官I2 ’凹槽I5形成於導管U，而裝有傳感器32的殼體14 插入導管12中的凹槽15。 10 201237372 關於本《明的操作，流量計透過量 送，，出氣體流率。更特別地，本發明還;應皮用= 天&亂之齡。—倾觀點的舰器1G，其巾殼體14設有一 可愧之齒口 24 ’而该窗口 24之厚度小於超音波訊號於窗口 24之材料中的波長的十分之一，然而仍須符合能抵抗外部氣 舰力之強纽賴度的要求。最佳地，窗π 24可由鈦加以 製成’因為鈦材質的%的厚度可以_贿聲波可以穿 透。窗口 24可作為阻絕天錢的㈣塞，其中天然氣包含有 氫硫=物或其他污染物。窗口 24可作為導管12内阻播天然氣 的屏障。當聲速在鈦材質中為6〇7〇m/s，鈦在2〇_ζ時的波 長，30.35mm。鈦材質之窗口 24採用雷射焊接技術與鈦材質 之殼體14相連接。雷射焊接技術相較於火焰烊接技術而言， 雷射焊接技術為低熱量的焊接技術，即使窗口 24的厚度(3_) 等於十分之一的波長，雷射焊接技術也不會破壞殼體14之窗 口 24的結構。窗口 24藉由作為增壓氣體之阻礙物以維持殼體 14的結構完整性。一般而言，操作壓力的範圍介475psi(ANSI 150)與3705psi(ANSI 1500)之間。操作溫度介於攝氏負4〇度到 攝氏100度之間。氣體流量計具有可更換的傳感器32，而更 換傳感器32時，不需對導管降壓。殼體14設有聲肋條26 , 聲肋條26之間隔介於1/8波長至1/4波長之間，以便隔離及消 除殼體14的聲雜訊以及中止殼體14的共振現象。此外，殼體 14透過數個隔聲器22可與金屬體相隔離。 一些特殊的傳感器32乃使用組合壓電技術加以製造，傳 感器32之組成壓電材料的耦合係數(kt)可為0.75而阻抗可為 17Mrayls，如此可產生寬頻的效能以便容易地偵測前緣以及精 201237372 確的虽測。傳感器32使用7:1的阻抗匹配於變壓器3〇，以便 提升訊號17dB的強度。傳感器耦接於鈦材質的窗口 ％，厚度 為波長的十分之一的窗口 24可阻擔的壓力大於37〇5psi 用於偵測導管12内氣體流率的流量計10，最佳地，可供 氣體流通之導管12的内部設有數條路徑。在殼體14的内部， 上游傳感裔16與鈦材質的窗口 24相接觸，而上游傳感器16 產生平面波傳送至通道17。下游傳感器18聲隔離於導管12， 而下游傳感器18產生平面波傳送至通道17。當上游傳感器16 接收下游傳感18所產生之平面波之後，上游傳感^ 16會傳 送上游傳感訊號至控制器2G。下游傳感器18接收到上游傳感 器16所產生的平面波之後，下游舰器18會傳送下游傳感訊 號至控制裔20。流量計1〇為訊號處理器，其中，控制器2〇 通訊於上游傳感器16及下游傳感器18，藉由量測傳感器傳送 及接收訊號之時間，以計算出通道17的氣體流率。 再參閱第1圖至第3 ®，流量計10包含有通道17，通道 17 5又於導官12内，導管12可供氣體流通。流量計1〇包含有 數條路控。殼體Μ的内部設有數個上游傳感$ 16，該些上游 傳感器16聲隔離於導管12，而且上游傳感器16所產生的平 面波^ 4專送至通道17。在殼體14的内部，每一路徑上各設有 二下游傳感器18，而殼體I4聲隔離於導管I2，而且下游傳感 器18所產生的平面波會傳送至通道Π且被上游舰器16所 接收。當上游傳感ϋ 16接_下游_器18所產生的平面波 =後’會產生上游傳感訊號。下游傳感器18接收到上游傳感 2丄二斤產生。的平面波之後，會產生下游傳感訊號。流量計:〇 匕3 k制器20 ’而控制器20聲通訊於上游傳感1 16以及 12 201237372 下游傳感器18，透過量測傳感器傳送以及接收訊號之時間， 可計算出通道17的氣體流率。 最佳地’殼體14可由鈦所製成，以便抵抗天然氣污染物 的侵蝕，其中天然氣污染物例如氫硫化物。在殼體14内，上 游傳感器16以及下游傳感器18耦接於窗口 24。隔聲器22接 觸於導管12而且聲隔離於殼體η。窗口 24形成殼體14的塞 子’以避免導管12的氣體漏入殼體14中。窗口 24透過雷射 焊接技術密封於殼體14，從而使得氫硫化物無法漏入殼體14 之内。傳感器32採用樹酷(couplant)與窗口 24耦接，最佳地， 使用矽氧滑脂(silicone grease)與窗口 24耦接。彈簧組28施予 壓力於傳感器32，以便超音波訊號更有效率地與窗口 24相輕 合。分隔件38及壓縮性螺帽40壓縮彈簧組28，從而至少l〇〇psi 的壓力施於傳感器32。Ο形環42設於殼體14以及套筒44的 周圍’以形成殼體14與導管12之間的另一個氣密塞。套筒 44支撐殼體14以及定位殼體14於容器Π之内。負載螺帽46 及鎖定螺帽48藉由施壓於隔聲器22,以便鎖固傳感器殼體14 於容器11 ’以及防止殼體14由於導管壓力而脫離容器η的 情況發生。傳感器殼體14、負載螺帽46以及鎖定螺帽48之 間徑向地設有氣體間隙，所以容器11與殼體14之間不會有金 屬對金屬之接觸。基本上應該提及，具有通道17的容器u為 導管12的延伸部，且為了本發明目的作為為導管12的部份。 如第5圖所示，包含有磨耗面56、寬頻壓電組成物5〇以 及延遲線36之傳感器32與負載圓筒52以及蓋子54 —起放置 於銅製的外殼58中。磨耗面56由阻抗匹配材料所製成。阻抗 匹配材料最好為純度高於96%的氧化鋁(A1203)、密度大約 201237372 3.64gm/cm3 ’硬度大於i〇〇〇Kn〇0pS，而厚度遠小於波長。寬 頻壓電組成物50具有一至三種組成材料，組成材料最好為 PZT-5H 以及環氧化合物(Smart Material ，s_〇ta，FL)。 PZT-5H的體積分率大約5〇%，而如此可產生較高之耦合係數 (kt =1.75)。具備較高之耦合係數是必要的，因為較高的耦合係 數可以改善超音波訊號之訊號_雜訊比。聲阻抗z=密度p (kg/m3)與速度v (m/s)的乘積，而聲阻抗z大約為π MRayls。 延遲線36具有二個目的：分別作為反射延遲線以及聲衰減 器。延遲線36的製作材料包含有金屬以及較低的體積分率(大 約15%)的環氧化合物。延遲線36的長度夠長，從而反射多於 離開壓電件的數個波長。聲波的典型速度在延遲線36大約 1277m/s。在200kHZ時’在延遲線36的波長為6 3mm。在此 應用上’延遲線36的典型長度為32mm。因此，在訊號被傳 感器32反射之前，只要訊號被傳感器32所接收，訊號產生反 射兩倍於延遲線36的時間。如此，反射比偵測訊號晚5〇微秒 發生。延遲線36的衰減，典型上為2 29分貝/公分(dB/cm)， 所以反射訊號的圓形路徑衰減為1456dB。為了達成寬頻壓電 組成物5G的電性連接，引線正極60與㈣貞極62焊接於銀 羯’透過織可與寬賴電組成物5G產生騎。整個傳感器 32放入殼體Η峡収有傳導性的環氧化合物，以便密封以 及隔離所有元件。 基於流量計蚊的操作條件之下，可使_頻率範圍在 lOOkHZ至500kHZ之間。寬頻組成物之傳感器&最好使用來 量測氣體。特別應用於氣體日寺，如果流率大於6〇呎/秒 (fee—) ’則表示聲波因為氣流而失真，而傳感器％接收 14 201237372 波峰。將傳統的窄頻PZT傳感器或τ卿ι1ζ傳感器，替 頻組成物之傳感器32，所接收到聲波可減少失象允 ㈣20 _量測上游傳感器及下游傳感器接收及傳送 ^•間’可計算出氣體流率。組成物之傳感器32具有所接^之 超音波脈衝的上升邊緣，而控繼2G可以精確地侧到超立 ，脈衝的上升邊緣，如此—來，便可以更精確地量測上游傳: 器及下游傳感器接收及傳送訊號之時間。 、 如第6圖所示，揭露一種電路包含有交流電壓源v、第 一線圈L,、第二線圈乙2、及傳感器32之阻抗ζ(49〇〇ω)，其 中父流電壓源V串聯於變壓器之第一線圈，而傳感器&之 阻抗ζ串聯於電壓器之第二線圈L2，第一線圈L|與第二線圈 L2的匝數比為N: 1(7:1)，而上述電路可等效為交流電壓源F串 聯於阻抗Z/N2的電路，而等效電路之阻抗由49〇〇Ω變為 100Ω。傳感器32受到傳感器殼體14内部之彈簧組28的彈力， 以使得磨耗面56有效率地機械性接觸於窗口 24。潤滑油用來 使傳感器32聲耦合於窗口 24。 第7a及第7b圖繪示流量計口徑與流體流率的統計圖。 第8a及第8b圖繪示誤差百分比與流速的統計圖。殼體14設 有聲肋條26、隔聲器22、及窗口 24。聲肋條26的間隔為八 分之一波長至四分之一波長之間，以便消除聲雜訊。耦合於窗 口 24的傳感器32在激發期間，低阻抗聲波(無論是橫波或是 縱波)依據以下方程式傳送於殼體14 : A 2 1 ,,

… T 當卜7 or 時，縱波或橫波如果被肋條所反射，則相 15 201237372 位將改變18G度’職干涉進人的縱波或橫波以便消除縱波或 橫波之方程式如下： y(x, t) = y, {ct - χ) - (〇t + λ：) = 0 〜一旦殼體14的周圍產生許多頻率及振幅之雜訊，將無法 兀全地消除雜訊。消除雜訊可改善所接收之超音波訊號之訊號 -雜訊比上升10分貝(dB)。 隔聲器22最好為聚醚醚酮(PEEK)所製成的盤體，盤體的 厚，大於波長’而且環設純體14之凸緣34觸。其錄低 的聲阻抗材料也可以使帛，例如複合泡沫_彳。隔聲器&接 觸於導官12 ’但凸緣34沒有接觸於導管12。透過衰減雜訊之 技術所減少的雜訊分貝，可由以下絲式來計算：

Loss(dB) = 201 (ZPeek+Zrf(Zpeek+Zsleeiy A為壓力輸出，&為壓力輸入，z_表示聚_酉同材料的 :抗，而輯_材料鱗阻抗為3Μ_。^表示鋼材料 1 耳阻抗’而崎料的聲阻抗為# Μ_、表示欽材料的 聲阻抗’而鈦材料的聲阻抗為3〇Μ_。所減少的雜訊分 遞’但是還有可以減少更多，只要將聚_網、鋼、及鈦壓 縮在一起而且不是機械性的鍵結。 ,f 口 24的厚度小於波長，從而在操作頻率之下，聲波可 穿透窗口 24。依據傳輸線原理，材料的聲 釋劑。當鈦射㈣口的厚度為波長針分之―， =二進人氣流中而不會產生訊號失真。傳輸驗論的‘ 201237372

Zw = zr ^ +JZn tan(/g/) ^77 +7¾ tan(/?z) A :空氣的聲阻抗 zn:鈦金屬的聲阻抗 窗口的聲阻抗 聲波在鈦金屬中的速度 /:超音波的頻率 ^ = ψ ··在鈦金屬中的波長 既然鈦的聲阻抗低於鋼，而且導管典型的材料為鋼，鈦 應為最佳的材料，以便用於阻擋氫硫化物以及其他污染物。 超音波之流量計10採用數個傳感器32,而每一傳感器32 設於殼體14内，在導管12内，依據數字積分規則，間隔地配 置有數個弦線路徑，以便精確地取樣速度曲線。包含有傳感器 的路徑，有的位於氣體流動的上游，有的位於氣體流動的下 游。位於上游及下游的傳感器分別傳送及接收訊號。上游訊號 及下私ail说的傳輸時間的差異乃用於計算每一路徑上的速 度。而控制器20對路徑上的速度加以積分，以便計算出流率。 這些方程式可被馬赫數(Mach number)所修改。 在c遠大於r的條件下： L路徑長度 L。,,:弦線路徑長度 軸向的氣體速度 17 201237372 e:容量流 開口直徑 κ路徑角度 6:上游傳輸時間 g下游傳輸時間

At \tx —/2 氣體速度 π:權重

cross sec/i〇« L axial (x,y)dxdy path

Vpath =^ifl/sin^

COS^!> n =4~^i ^ t2tx tan^o 為了直接1測體積流’必須沿著垂直於導管12的軸線的 橫斷面對軸向的流速做積分。為了得到聲波在氣體中的速度以 及氣體速度，必須透過控制it 20量耻游及下游的傳輸時 間柽制器20 if异出每一路獲之上游傳輸時間以及下游傳輸 ，間的差異。結物確為。φ在弦線位置的線積分。結果由 第3^圖所疋的位置所計算出來，有效地分割導管橫截 面在每一平面形成四個區段。每一區段的有效寬度即為沿著X _ 1½ D的-部份。不論是Legendfe或是了滅就咖⑯ 的間fe(spacing)或權重(weighting)都可使用於和弦之流量計，路 位置y ’以及權重w不被任意地選擇，但是遵守數字積分規則。 201237372 間隔由導管12的中央處來量測，間隔狀n2以及權重因子 顯不於表1，而每一弦線的長度可由計算或量測來得知。 表1:流量計路徑間隔以及權重 y轴位置 Legendre 間隔 Legendre 權重 Jacobian/Chebychev Jacobian/Chebychev 間隔 權重 yi 0.34* 直徑/2 0.77 0.30* 直徑/2 0 72 y2 「0.86* 直徑/2 0.22 0.80* 直徑/2 0.27 -yi -0.34* 直徑/2 0.77 -0.30* 直徑/2 0.72 -y2 -0.86* 直徑/2 0.22 -0.80* 直徑/2 0.27 流量Q可由下列方程式計算： +W2Lchord2Vaxian +W3Lchord3Kxian ^ =W4,W2 =W„Lchordx =ZcW4,ZcW2 =Ldl〇m WALchi 〇rd4 r axial4， 在本發明中，揭露有流量計内徑為24英吋的超音波氣體 流量计10，該流量計1〇具有八條路徑，而且經過測定為艾奥 瓦洲(Iowa)的科羅拉多工程實驗公司(CEESI)氣體校準設備的 已知標準。結果如第5圖所示，速度範圍在2呎/秒至100呎/ 秒之間的方程式為百分率誤差。負線性化(24英吋内徑之流量 計線性化不必修正)被決定為只有+/-0.175%。導管12由碳鋼匹 配ASME B31.3 Process Piping Code來製成。控制器2〇的設計 依據 UL/cUL Class 1，Division 1, Groups C & D。 流量計的尺寸、流率以及速度繪示於表2。流率的表示基 於導管内徑，超過範圍(over_range)的流率在12〇fpS。 表2:_流置計尺寸、流率、速度 流量- 汁尺寸 流率(吸V小時） 流率(尺V小睥） αΊ 8 DN 200 最小值 2,500 最大值|超過範圍 125,000 | 150,000 最小值 最大值 「71 I 3,550 超過範圍 4,250 19 201237372

。以上敍述依據本發明多個不同實施例，其中各項特徵可以 結合方式實施。因此，本發咐财式之揭露為閣 [應彻本㈣於所揭示的實施 ^進Y&之’先別敍述及其附圖僅為本發明示範之 不叉其限囿。其他元件之變化或組合皆 w 之精神與翻。 且飾于本發明 【圖式簡單說明】 第1圖繪示本發明流量計之示意圖。 第2圖繪示導管的内部示意圖。 ，3圖纟會示第1圖之流量計的俯視圖。 ，4圖繪示本發明流量計之剖視圖。 第5a圖繪示傳感器的組合圖。 第5b圖繪示傳感器的分解圖。 第6圖繪示變壓器的示意圖。 及第7b _碰量計口徑與流體流率的統 ，及第_繪轉差百分比與流賴統計圖。 【主要元件符號說明】 流量計10 導管12 凹槽15 容器11 殼體14 上游傳感器16 20 201237372 通道17 下游傳感器18 控制器20 隔聲器22 窗口 24 外殼25 聲肋條26 彈簧組28 變壓器30 傳感器32 凸緣34 延遲線36 分隔件38 壓縮性螺帽40 〇形環42 套筒44 負載螺帽46 鎖定螺帽48 寬頻壓電組成物50 負載圓筒52 蓋子54 磨耗面56 外殼58 引線正極60 引線負極62 21

Claims (1)

1. 201237372 七 、申請專利範圍： — 21·里如驗侧導管⑽氣體流率，包括： 該ί二if於該導管’該導管設有—通道可供氣體流通， ‘存；::、苦巧固凹槽’每一凹槽内可裝設-殼體，該殼體可 ϊίί ί中的壓力，每—殼體設有-窗口； 專，态，該些傳感器可分別設於該些凹槽之中，在該殼 母一傳感器經由該窗口傳送超音波訊號至該通道以及 f 口接收來自該通道的超音波訊號;以及 f制器，電連接於該些傳感器，各傳感器可透過量測傳送 及接收超音波訊號之時間，以便計算出氣體流率。 2、如申請專娜圍第丨項所述的流量計，其巾該窗口的厚度小 於V»亥超音波汛號於該窗口材料中波長的四分之一。 3如申請專利範圍第2項所述之流量計，其中該窗口的厚度為 該超音波訊號於該窗口材料中波長的十分之一。 4、如申請專利範圍第3項所述之流量計，其中該傳感器設於該 凹槽中的殼體。 、如申請專利範圍第4項所述之流量計，其中該殼體為保存該 通道的壓力之壓力邊界而且避免該通道的氣體漏入於該殼 體’該殼體形成該通道之氣密塞。 、如申請專利範圍第5項所述之流量計，其中將該傳感器自該 凹槽移除時，不需對該導管做降壓或是使用一拆除工具，而 該拆除工具透過一壓力保存元件來拆除該傳感器，而該壓力 保存元件可保存該通道内的壓力。 22 201237372 7、 如申請專利範圍第6項所述之流量計，其中該些傳感器之超 音波sfl號分別沿著該通道内之一第一路徑或一第二路經做傳 遞’其中該第一路徑及該第二路徑分別位於不同的平面。 8、 如申請;事利範圍第7項所述之流量計，更包括數個隔聲器， 該些隔聲器隔離該殼體與該容器。 9、 如申請專利範圍第8項所述之流量計，其中該傳感器與該窗 口搞接。 10、 如申請專利範圍第9項所述之流量計，其中該窗口的材料 可為金屬或塑膠。 11、 如申請專利範圍第10項所述之流量計，其中該窗口的材料 可為鈦、聚二酮樹脂(PEEK)、或聚苯乙烯(PPS)。 12、 如申請專利範圍第11項所述之流量計’其中該傳感器為寬 頻壓電組成物傳感器，而且該傳感器之耦合係數大於〇.7而 聲阻抗小於34Mrayls。 13、 一種用於傳感器之殼體，包括： 一外殼’而該傳感器設於該外殼内。該外殼具有一外表面、 該外表面突設有一凸緣，而數個聲肋條設於靠近於該外殼的 一端’且s亥傳感β發送的訊號由該外殼的該端發送，該外殼 改善§ίΙ〗虎-雜§fL為大於100.1 ’该些聲肋條減少至少25¾的不 含氣體之聲音路徑。 14、 如申請專利範圍第13項所述之用於傳感器之殼體，其中該 23 201237372 殼體，周，設有一隔聲器，當該傳感器設於該容器的凹样 中二’該隔聲器接觸於該容器及該殼體，該隔聲器設於該▲怂 及該殼體之間，所以該殼體未接觸於該容器。 g 15 lit請專利範圍第14項所述之用於傳感器之殼體，其中兮 隔聲器包含有數個盤體，而該些盤體環設於該凸緣之周圍^ 16、如申請專利範圍第15項所述之用於傳感器之殼體，t 些盤體的材質為塑膠、泡沫塑料、或橡膠。 、 17、如申請專利範圍第16項所述之用於傳感器之殼體，其中該 外表面不使用阻抗叹配材料以便改良訊號由該 = =Ϊί該Τ口用窗°的厚度小於四分之—的波長以使得訊 18 j如申明專利範圍帛項所述之用於傳感器之殼體，其 該殼體與前H之間可沒有金屬對金屬之接觸。’、 19該率的方法’該導管連胁一容器， e 〇x 供氧體流通的通道，該容器設有數個凹样， 该些，槽内各設有—殼體，各殼體設有—窗口，該窗口聲日通 ^於該通道’各該殼體岐有數侧M H，該方法包括下列 步驟： 3亥些傳感器傳送超音波訊號至該通道； 該些傳感器接收來自該通道的超音波訊號；以及 傳送以及接收訊號之時間，以便計算出該 2〇如申清專利械第19項所述之偵測導管内之氣體流率的方 24 201237372 法’其中該窗口為可保存該通道巾哺力之壓力邊界以 Ϊ通ί中，該窗口形成該殼體的氣密 傳t 時’不需對該導管做降壓或是使用 = 紅具透過—壓力保存元件來拆除該傳 感益，而该壓力保存元件可保存該通道内的壓力。 21 ΐ mi圍Λ20項所述之細導管内之氣體流率的方 法’其中该些傳感狀超音波訊號分別沿著該通道内之一第 -路徑或-第二路控做傳遞，料該第一路徑及 分別位於不同的平面。。 22、 如申請專利範圍第21項所述之_導管内之氣體流率的方 法，更包括透過數個隔聲器隔離該殼體與該容器。 23、 如申請專利範圍第22項所述之_導細之氣體流率的方 法’更包括施力於該傳感器以維持該傳感器接觸於該窗口。 24、 如申明專纖gj第23項所述之細]導管内之氣體流率的方 法’其中傳送超音波訊號更包括： 該第-路徑之上游傳感益產生平面波傳送至該通道，且 一路徑之下游傳感器接收平面波； * 接收到平面波之下游傳感器產生下游傳感訊號； 該下游傳感H產生平面波傳送至該通道且該^游傳感 收平面波； & ，收到平面波之上游傳感器產生上游傳感訊號；以及 該控制器透過量測該上游傳感器及該下游傳感器產生及 收吼號所花的時間，以便計算出氣體流率。 25、 如申請專利範圍第24項所述之债測導管内之氣體流率的 25 201237372 中Λ更換該些傳感器時，不需使用該拆除工具來抗 ^傳感器’ _:除工具透過該塵力保存元件以便拆除 傳感器，該壓力保存元件具有密封且可承受壓力= 此該些舰ϋ可於該罩子_部麟於絲器而且 = 内的氣體會流入該罩子内，而不會外漏至該容器的外部。、 、如申請專利範圍帛Μ項所述之侧導管氣體流量方法， 其中當更換該些傳感糾’不需使用—關去塞住已拆除該 些傳感器之凹槽以允許該拆除工具内部的罩子漏氣。”” 27、 一種流量計之傳感器，包括： 一殼體； 一寬頻壓電組成物，其設於該殼體内，而該寬頻壓電組成物 的搞合係數大於0.7而聲阻抗小於34Mrayls。 28、 如申請專利範圍第27項所述之流量計之傳感器，更包含 有一變壓器，該變壓器匹配該傳感器的電阻抗。