[发明专利]单收发器超声流量计设备及方法

说明书

单个波束形成超声换能器元件阵列(210)的元件被选择性地激活，从而将两个或更多个超声波束(220‑222‑224、230‑232‑234)引导到安装到或者制作在管道214内表面的已知位置处的一系列声学镜(255、260、265)。超声波束(220‑222‑224、230‑232‑234)在被单个换能器阵列(210)接收返回之前，通过流过管道(214)的流体以已知角度穿过测量路径段(224、234)。根据减去由已知长度的非测量路径段(220、230、222、232)提供的飞行时间(TOF)分量后的沿第一和第二超声波束路径(220‑222‑224、230‑232‑234)的TOF差计算沿流体流动路径的流体流动速率。TOF中的差由沿第一测量路径段(224)的增加的下游流体流动速率矢量分量和沿第二测量路径段(234)的减少的上游流体流动速率矢量分量引起。

技术领域

本文所描述的结构和方法涉及管道以及管路中流体流速的测量，包括比较通过流体发送的超声脉冲的飞行时间(TOF)从而检测下游流体速率以及上游流体速率对TOF做出的贡献。

背景技术

图1示出根据现有技术的流体流量测量技术的现有技术示意图。第一超声换能器110位于管道120上游的壁115处，第二超声换能器125位于管道120下游的壁130处。

第一超声信号从上游换能器110发射，并且穿过路径135A在下游换能器125处接收。测量第一超声信号发送和接收之间的飞行时间(TOF)T(1，2)。第二超声信号从下游换能器125发射，并且穿过路径135B在上游换能器110处接收。测量第二超声信号发送和接收之间的TOF T(2，1)。路径135A和135B长度L相等。每条路径135A和135B与管道120纵轴线成角度θ。

穿过管道120的流体流动速率提高了下游角度θ上传播的超声信号的速率，从而降低TOF(1，2)。同样地，穿过管道120的流体流动速率阻碍了上游角度θ上传播的超声信号的速率，从而增加TOF(2，1)。

具体来说，穿过路径135A的第一超声信号的速率是通过穿过管道120的静态型流体传播的超声能量的速率C和沿路径135A的流体速率U的速率矢量分量v的总和。U是平行于管道120的纵轴线流动的流体的总速率。也就是说，穿过长度为L的路径135A的第一超声信号的总速率等于C+v。因此TOF T(1，2)为：T(1，2)＝(距离)/(速度)＝L/(C+v)。

同样地，穿过路径135B的第二超声信号的速率为通过穿过管道120的静态型流体传播的超声能量的速率C与沿路径135B的流体速率U的速率矢量分量v之间的差。也就是说，穿过长度为L的路径135B的第二超声信号的总速率等于C-v。因此TOF T(2，1)为：T(2，1)＝(距离)/速度)＝L/(C-v)。

穿过静态流体的超声能量的速率C对于流过管道120的具体流体是常量。因此，测得的T(1，2)和T(2，1)提供上述两个方程式，其中v和L未知。求解上述两个方程式获得v：

然而，TOF的测量值仅考虑沿流体流动速率U的测量路径135A和135B的矢量分量v。整个流体流动速率U等于v/cosθ。因此：

发明内容

本文所公开的设备和方法使用波束形成超声换能器元件阵列测量流过管路或管道的流体流速，其中超声换能器元件能够安装在管路或管道壁上的单个位置(本公开中所使用的术语“管道”和“管路”含义相同。)。波束形成驱动器电路与超声换能器元件阵列联合以提供从阵列发射以及在阵列处接收的超声能量的方向性控制。得到的超声波束通过安装或者制作在管道内表面的已知位置上的一系列声学镜引导返回单个超声阵列。本文所述的实施例在商业上的优点在于它们采用单个超声换能器/收发器单元而不是多个单元。这样做能够降低与超声换能器自身相关的成本，以及管道内的安装成本和安装后的校准成本。