[发明专利]流速的超声测量

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定导管中的流体的流速的超声测量设备和方法。

背景技术

流速测量的通常应用通过用于天然气管路的气体流量计体现。通常，人们基本上不对流速感兴趣，而是对所输送的气体体积感兴趣，但是借助于管路的已知横截面能够容易地计算出气体体积。

沿着天然气的供给链，一个重要部分是所谓的上游领域，包括生产、处理和回注领域。若干计量点存在并且必须处理变化的体积流量、湿的气体和通常恶劣的环境。在聚集结合了来自不同源的气流的管路处，使用测量来用于储藏管理、监视和生产的控制，并且用于结算。

用于这些上游测量应用的普通途径是孔板流量计。这些是相对简单的机械设备，其在孔的两侧使用压力传感器以便估计流量。用于孔板流量计的设定由大量标准，如ISO5167或AGA3来限定，从而在其中限定了馈送部的必要长度，该长度可延伸至多达标称直径的40-50倍。孔板流量计是健壮的且不昂贵的，并且它们还能够仅基于其几何结构来进行校准。

另一方面，孔板流量计缺乏精度和诊断，尤其是当测量条件出乎意料时。例如，不能识别湿气体的液体部分。孔板流量计有时被认为能够耐受气流中的液体。这只有在涉及对流量计的损坏的程度才保持正确并且可被称为相比于涡轮机、旋转的或其它传统测量设备的优点。然而，对于湿气体来说，即使液体部分低时，孔板流量计也显示了大的测量误差。孔板流量计对于流量计上游的扰动非常敏感并且需要相当大部分的优选与流动调节器结合的直上游管道。它们具有低测量动态，必须进行流量计的互换以适应在源的使用期中的流量变化。最后，孔板流量计在边缘和倒角处需要精确的几何结构，该精确的几何结构将由于侵蚀、腐蚀和沉积而受损。

用于确定管路和导管中的流速的另一已知途径是使用渡越时间差方法的超声测量技术。它们在传输和存储的领域中广泛传播，但未在上游领域中使用，因为它们被认为比孔板流量计更昂贵。

超声渡越时间差方法在图11中显示。在传统的测量设备100中，两个超声换能器102a、102b成角度布置在导管或管道104的壁中，在该导管或管道104中，流体106在标记管道104的中心纵向轴线的箭头108的方向上流动。超声脉冲在超声换能器102a-b之间的测量路径上发射和接收，其中超声换能器102a-b交替操作作为发射器和接收器。通过流体传输的超声信号在流动方向上加速并且逆着流动方向减速。使用几何结构参数来将由此产生的渡越时间差计算为流体沿该超声路径的流速。由此与横截面面积一起产生工作体积流量，对例如由体积标出的流体而言，该工作体积流量是感兴趣的测量变量。几何关系通过如下变量描述：

v：管道中的流体的流速

L：两个超声换能器之间的测量路径的长度

α：超声换能器发射和接收所成的角度

Q：体积流量

D：管路的直径

t_v：顺流的超声的渡越时间

t_r：逆流的超声的渡越时间

对于目标变量v和Q，由此产生如下关系：

v＝L/(2cos α)(1/t_v，-1/t_r)和

Q＝v 1/4D2π

以这种方式来确定测量路径的位置处的局部、平均流速。然而，这仅对于均匀流动产生精确的测量值。换句话说，在测量路径是单一取样点的情况下，该流速只是近似的。为了在非均匀流动的情形中获得更好的近似值，能够增加测量路径的数量并因而增加取样点的数量。由此产生的超声流量计已知为两路流量计、四路流量计等。显然，随着测量路径的增加，不仅流量计的精度，而且其制造成本也增加。一系列测量路径构造或布局在标准ISO17089-1中提出。

利用两路流量计能够实现用于上游应用的制造成本和精度的合理平衡。两路流量计的传统路径布局包括两条平行路径，一条在管道的下半部中，一条在管道的上半部中，其中以管道的半径为单位R，距中心纵向轴线的距离为0.5R。根据车比雪夫(Tschebyscheff)定理，此距离将近似误差减到最小程度。然而，事实证明具有此路径布局的两路超声流量计在湿气体的流速测量中显示了相当大的误差。

此外已知的是与流量相关的误差特性在距中心纵向轴线0.6R的距离处几乎是平直的。同时，此平直特性以较高的绝对近似误差为代价而达到。此知识从没有联系到两路超声流量计。传统的两路流量计坚持误差最小的0.5R位置。

发明内容