[发明专利]用于测量流体流动速度的超声波测量装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1及15的前序部分所述的用于测量流体流动速度的超声波测量装置和方法。

背景技术

管路和管道内的流体速度可以借助超声波测量技术按照渡越时间差方法进行测定。在此，超声波脉冲由一对超声波换能器发射和接收，这对超声波换能器彼此相对地横向于流体流动地设置在测量路径末端的管路壁部上。由超声波在顺流和逆流方向测量路径上的渡越时间差来确定流动速度。在此，超声波换能器交替作为发射器和接收器工作。穿过流体传送的超声波信号沿流动方向加速，并且逆流动方向减速。所产生的渡越时间差利用几何量值计算平均的流体速度。由此，利用横截面面积还得出运行体积流，该运行体积流在依照体积对流体进行结算时，经常是引发关注的测量变量。

图7中示出该公知的测量原理。作为常规测量装置110的主要组成部分，两个超声波换能器118、120成角度地布置在管路112的壁部上，流体114以箭头方向116在管路112中流动。超声波换能器118、120交替作为发射器和接收器工作。通过气体传送的超声波信号沿流动方向加速，并且逆流动方向减速。所产生的渡越时间差利用几何量值计算出平均的流体速度。由此，利用横截面面积还得出运行体积流。几何比率通过下面的变量描述：

v：管路内流体的流动速度

L：两个超声波换能器之间测量路径的长度

α：超声波换能器发射和接收的角度

Q：体积流

D：管路的直径

t_v：超声波顺流的渡越时间

t_r：超声波逆流的渡越时间

由此，为所求的变量v和Q得出下列关系式：

v＝L/2(2 cosα)(1/t_v-1/t_r)，以及

Q＝v 1/4 D²π。

重要和高要求的应用领域是天然气管线的气量计，在那里，基于大量所传送的气体量和原材料价值，测量精度上最微小的偏差就相当于明显可观的价值。超声波流量计在该大气体量测量领域内由于其精度、免维护和自诊断能力而被越来越多地用在气体运输和气体储备方面。与之相对地，在分配/配送领域，成本压力与如涡轮计数器和转动活塞计数器相比仍是过高的。

为了以所达到的精度来满足对负有校准责任(eichpflichtig)的测量的要求，因此需要很高的开支。因为超声波测量路径仅在确定的位置上扫描流动速度，所以最后平均流动速度通过整个流动横截面外推得出。因此，高精度只能在流动可以良好重现或具有无干扰的流动变化曲线或者大量的测量路径可以分辨出不规则性的情况下，才能实现。为达到高精度，可以有针对性地影响流动变化曲线，例如通过流动整流器或者直而长的流入段。但流动整流器只能有限地对流动加以均匀化，而且直而长的流入段则需要很多结构空间，并且不能始终可供使用。在大量测量路径上进行的测量需要相当复杂的测量仪器。

特别是将超声波测量仪器用在配送领域时，安装典型地在气压调节站内进行，在该气压调节站中，将传送管路的中压或者高压降到分配网的低压或中压。这种调低通过调节阀进行，而且这种构件产生了处在超声波范围内的干扰声波，该干扰声波与自身的测量信号叠加并因此对测量精度产生不利影响。

总之，这一点对常规超声波测量仪器的使用者来说不利的是，必须执行附加的安装，这随之增加成本并且加大结构尺寸。

除了超声波测量技术外，机械式涡轮计数器和转动活塞计数器也用于气体测量。在这里，也给出如下的实施方案，其中，使对于计数器的流动发生转向，并且在测量之后在转回到管路的流动方向上。对于机械式测量来说，流动的构成很大程度上无关紧要，从而可以毫无问题地容忍本来的流动和流动方向的干扰。在超声波计数器上，相反始终力求将其仅装配在长而且优选直线式的平稳段(Beruhigungsstrecke)的后面，从而流动可以均匀化，而且这一点还通过流动整流器进行支持。此外，超声波计数器自身这样装配和构造，使流体可以尽可能自由而无干扰流动。

这种计数器的机械式测量方式此外的缺点是，活动的和易受干扰和磨损的部件被直接布置于流动中。此外缺少超声波计数器内通过观察附加的测量变量而能获得的诊断特性。测量仪器或者测量过程的状态因此不能得到监测和分析，或者为此需要进行成本很高且费时的检验。由于缺少诊断能力并因此缺少对测量精度的监控，鉴于微小的精度偏差就相当于很高的价值，这一点对于使用者来说不能满意的。