[发明专利]用于确定管道中的流体的流量特性的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及超声波流量测量，特别地，涉及用于测量例如管道中的流体的流速和/或吞吐量等流量特性的设备和方法。

背景技术

在管道中流动的流体的超声波流量测量在本领域中是公知的。主要地，其包括在发射机和接收机之间发送超声波(ultrasonic sound wave)，在管道的轴向上、在流体流动的下行(downstream)方向上及在流体流动的上行(upstream)方向上将发射机和接收机隔开。测量超声波的通行时间。通过下行方向的超声波和上行方向的超声波的通行时间的差别，可以基于管道的已知几何结构来计算平均流速或吞吐量。该流体是例如天然气等气体、水蒸气或液体。

除了流速，所测量的通行时间还依赖于管道中的流体的流动剖面。涡旋、横流(cross flow)、剖面不对称及速度随时间波动是理想流动剖面的已知的畸变，在弯曲等之后，该种畸变实际上经常发生，例如发生在复杂的管道系统结构中。

所测量和计算的流速的最终可靠性依赖于许多参数，如所覆盖的距离、声波路径配置、所传送的超声波类型及计算方法本身。现有技术中已知许多声波路径配置。

已知的声波路径配置之一是具有中间半径弦(midradius chord)的三角形路径，其中，由发射机发射的超声波在由接收机接收之前在内侧管道壁上反射两次。例如，US-A-5,546,812已经公开了一种用于确定通道中的介质的流动特性的方法和设备，包括限定了对于涡旋确定的互相偏移的两个三角形路径以及对于不对称确定的也互相偏移的三个单个的反射轴路径的变换器装置。根据该专利的商业上可利用的流量仪表中，第一三角形路径具有顺时针方向的取向，第二三角形路径具有逆时针方向的取向。

然而，从例如EP 0843160A1知道的另一路径配置包括通过管道的中心的至少一个第一路径、所述的三角形形式的至少一个第二路径及具有相对于管道壁的三次或更多次反射的至少一个第三路径。该已知路径配置用于获取与理想的权重因子尽可能接近的用于计算流速/吞吐量的合成的权重因子的曲线。据说可以达到将不准确性降低到大约0.15％。

关于测量结果的准确性和可靠性的要求仍然在增加。经常地，如果可以提高准确性和可靠性，则也伴随着不成比例增加的设备的复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种在允许设备的相对简单的设计的同时，允许增加询问区域以及增加在管道中流动的流体的实际流动剖面的信息搜集的超声波流量测量设备和方法。

本发明的另一目的是提供一种以最小数量的变换器而具有关于准确性和可靠性的优秀性能的超声波流量测量设备。

在权利要求1中限定根据本发明的设备。在从属权利要求中限定优选实施例。

用于确定流量特性的设备包括管道体，流量特性特别地是在管道中流动的流体的流速和/或吞吐量。在通常具有环形截面的管道体的外壁上或外壁内设置超声波变换器。根据本发明的设备包括第一组变换器。轴向间隔开的变换器能够沿着第一涡旋感测声波路径(相关变换器之间的轨迹，不考虑沿着轨迹发送的声波的方向、上行或下行)传送超声波。从而，第一涡旋感测声波路径具有轴向分量。第二组变换器限定第二涡旋感测声波路径，并且第二组变换器与第一组变换器呈现在管道体的相同侧。由于变换器的间隔要求，实际上，都平行于管道体轴的第一对准线和第二对准线关于第二对变换器中的变换器在切线上偏移小的距离。优选地，第一和第二线位于相同的位置。这样布置变换器，以使得从轴向方向看第一和第二声波路径共同具有顺时针方向(CW)和逆时针方向(CCW)。在该应用中，该种涡旋感测声波路径对也被称为成对路径。

为了增加询问区域，根据本发明的设备还包括在直径上和轴向上偏移的变换器之间限定具有单反射的第三声波路径的第三对超声波变换器。通过限定对称于第三声波路径的第四声波路径的第四对超声波变换器提供配对的变换器。换句话说，第三和第四路径共同具有分别从轴向方向看到的顺时针方向和逆时针方向的取向。比优选的涡旋感测路径与管道壁更接近设置的这些“半个四边形”路径(对于作为优选的涡旋感测路径的等边三角形路径，0.707^*管道半径相比0.5^*管道半径)特定地允许获取关于流动剖面的锐度的信息(例如，穿过管道的横截面区域的轴向速度分量)并且覆盖管道截面的额外的区域。此外，该配置允许另外的涡旋角测量。