[发明专利]非侵入式敞开通道流量计

说明书

本发明涉及一种用于测量流经管道或通道(3)的流体(2)的表面速度的方法，其中，所述流体具有自由表面，该方法包括以下步骤：‑借助于贴片天线(5)发送微波束，该贴片天线包括至少一个发射贴片区(6TX)和平行于该发射贴片区(6TX)的至少两个接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)；‑在间隔开预定距离d的该至少两个接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收由该移动流体(2)的自由表面反射的微波信号，所述贴片天线在水平面中或者在与平均流体速度平行的竖直面中；‑针对在该贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收到的每个微波信号，确定不同贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)接收到的微波信号之间的相移从而允许计算方位角α以确定反射体在流体表面(2)上的方位角位置，或允许计算与在该接收区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收到的每个信号相对应的仰角θ；‑针对在该接收贴片区(7RX1，RX2，…，RXM)上接收的每个微波信号，确定在所发送的微波与所接收的微波之间的多普勒频移fd；‑基于这些多普勒频移和相应的相移计算该流体(2)的表面速度的横向和/或纵向分布。

技术领域

本发明涉及一种使用安装在流动流体上方的传感器的非侵入式敞开通道流量计系统。

背景技术

近年来，水资源管理发挥着越来越重要的作用。河流、灌溉渠、市政和工业敞开通道水和废水管道系统中的流量测量变得越来越重要。洪水是一个日益严重的问题，准确的流量测量可以有助于预测灾难的程度、警告民众并采取保护措施。灌溉水在某些地区是非常昂贵的，并且精确的流量测量可以实现良好的成本分配和正确的计费。由于废水处理很重要但非常昂贵，因此市政和工业废水流量测量非常重要。

目前有多种敞开通道流量计可供使用。一种类型的流量计使用液位测量，并在不同液位进行速度分析来计算每个特定液位的流量。流量-液位曲线图允许给出所有液位的流速。另一种类型的流量计使用如水槽或堰等主要设备来创建液位与流量的关系。面积/速度流量计无需进行速度分析或使用主要设备。大多数这样的设备使用放置在管道或通道底部处或附近的浸湿的传感器，并且暴露于碎屑和上方悬浮物(hang-up)。有时很难不说安装这些设备较为危险。最近，非侵入式流量计变得越来越流行。所使用的技术包括声学方法、激光方法、光学方法和微波方法，最后一种是最常用的。所有这些非侵入式速度测量方法都检测表面或非常接近表面处的速度。为了计算截面中的平均速度，需要使用数学模型或经验公式，这可能会导致很大的不准确性。

因此，需要一种提供非侵入式流量计的优点而没有这些缺点的流量计。

本领域已知的侵入式敞开通道流量计类型已在美国专利号4,083,246和美国专利号7,672,797中披露。这些是面积/速度流量计，其传感器使用安装硬件定位在管道或通道的底部。使用电磁学或声学方法在浸湿区的一部分中测量速度，使用浸入式压力传感器或俯瞰式超声波传感器测量液位。主要缺点是那些传感器和安装设备可能会聚集流体所携带的碎屑，这些碎屑会导致不准确性或故障。另外，这些传感器和安装设备会暴露于可能具有腐蚀性或磨蚀性的流体。

美国专利号4,202,211披露了使用安装在管道下方的声速传感器和安装在流体表面上方的俯瞰式超声波传感器来测量流量的非侵入式方法。这些方法的主要缺点是安装极其复杂，并且可能出现沉积从而导致速度信号不准确。

另一种非侵入式方法在美国专利号5,315,880中披露。以与流体流动方向相反的特定角度将微波频率信号引导至流体表面。一部分信号被反射，使用两个波束之间的多普勒频率来计算流体表面速度。使用非侵入式俯瞰式声学设备来测量流体的液位。这种非侵入式敞开通道流量测量技术相对于先前的测量技术有所改进，但仍存在一定缺陷。速度在流体的表面或表面的一部分处被测量。这些速度可能与平均速度有很大的偏差，因此在包括将速度与浸湿面积相乘的流量计算过程中可能会产生很大的误差。

美国专利号5,811,688披露了使用与液位相关的表面速度乘数来计算平均速度的方法。这种方法的缺点在于，乘数是由在不同液位处的多个原位速度分析设备生成的，这些设备制造成本较高，并且有时由于安全问题而无法实现。