專利名稱：超聲波流量測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種超聲波流量測量技術，尤其涉及一種用于在多個流體流動斷面上測量流速然后計算出流量或流率的超聲波流量測量方法，如果超聲波傳感器安裝在已經布置到位的管子上的話。
通常的超聲波流量測量方法是基于如下的基礎技術背景設計一個超聲波單通道流量計，以采用超聲波測量出在流體流動斷面的一部分上(例如在管子的內部直徑上)的流速VD，并且用流速VD乘以流動系數(shù)K以及流體斷面面積S，以計算出流量。超聲波多通道流量測量方法包括以下步驟采用超聲波測量出流速VD以及在被分成多段的弦上的流速，從而計算出一個流體流動斷面的平均流速Vs，并且用Vs乘以斷面面積以計算出流量。另一個已知的方法是在一個敞開的水道中測量出多個水深處的平均水平流速以計算出流量。
以下專利披露了傳統(tǒng)的超聲波流量測量方法和裝置1996年7月2日授權的美國專利No.5,531,124；1987年7月25日授權的美國專利No.4,646,575；1989年8月29日授權的美國專利No.4,860,593；1998年7月14日授權的美國專利No.5,780,747；1996年7月25日授權的美國專利No.4,676,321；1999年9月27日授權的俄羅斯專利No.2,138,782。
這些已知的超聲波測量方法具有以下共同特征1)選擇一個流量測量斷面作為一個與流體流動方向成直角的斷面S。在管道的情況中，選擇相對于中心線為矩形的斷面。
2)因此，計算出沿著與首先通過超聲波測量出的斷面垂直的方向的流速。在那時，假設流速的方向與流體流動方向一致。
3)超聲波流速測量方法包括一種頻率差方法和一種相位差方法，但是這些方法是基于已經被廣泛地采用的傳輸時間差方法。
傳統(tǒng)的傳輸時間差流速測量公式如下V=L22dt2-t1t1t2=L22dΔtt1t2----(1)]]>其中，L為成對的傳感器1和2之間的間距，d為L的投影距離，其中d＝Lcos，t1為沿著流速方向從成對的傳感器1到成對的傳感器2的傳輸時間，而t2為沿著與流速相反的方向從成對的傳感器2到成對的傳感器1的傳輸時間(參照
圖1)。
超聲波單通道流量計算方法的流量計算公式如下Q＝K·VD·S (2)其中，K為流量系數(shù)，VD為在將通過公式(1)測量的直徑線上的流速，而S為如上所定義的斷面面積，例如管道的內部斷面面積。
用于超聲波多通道流量測量方法的一個流量計算公式如下Q＝Vs·S (3)其中，Vs為在將通過公式(1)測量的多條弦上的總平均流速。
大部分超聲波流量計的特征如下不象其它流量計，它把傳感器安裝在已經被安裝到位的管道上就能夠進行流量測量。甚至在流體被輸送通過管道的條件下，由于技術的進步，這些傳感器也能夠通過鉆進工作被安裝在管道上。由于這些特征，所以經常采用超聲波流量計。
尤其是，即使在K＝常量的條件下，該超聲波多通道流量測量方法也可以測量出流量，例如管道的筆直部分的距離為至少25D，并且Re＞104不是固定的，并且流速分布不是一個正常的狀態(tài)，或者如果管道的內部直徑相對更大。因此，這個特征使得該超聲波流量計能夠被用作更大管道的流量計。
圖2顯示出用于測量流速的五條弦，但是如果需要的話可以增加弦的數(shù)量。如圖2所示，為了使d＝Li·cosi＝常量，成對的傳感器1i和2i的安裝角度i相互不等。
如在公式(2)和(3)中所表示的，流量測量誤差δQ被看作流速測量誤差δV以及斷面面積測量誤差δS的總和。在超聲波單通道流量測量方法中的流量測量誤差δQ如下δQ＝δK+δVD+δS(4)
在超聲波多通道流量測量方法中的流量測量誤差δQ如下δQ＝δVi+δM+δS(5)其中，δK為流量系數(shù)誤差，δM為伴隨著用在多條弦上測量出的流速Vi計算出一個斷面的平均流速而產生的誤差，例如公式的近似積分誤差VS=12R∫-R+RV(r)dr.]]>在公式(4)和(5)中，流量測量誤差δQ由流速測量誤差δV和斷面面積測量誤差δS來確定。因此，為了提高流量測量的精確度，要顯著地降低流速測量誤差δV和斷面面積測量誤差δS。在流速測量公式(1)中，假設傳輸時間測量誤差包括一個偶然誤差成分，那么流速測量誤差的公式如下δ=(2δL+δd)+δ2t1+δ2t2+δ2Δt=(2δL+δd)+A---(6)]]>A=δ2t1+δ2t2+δ2Δt]]>其中δL為間距L的測量誤差，δd為d的測量誤差，其中L和d是在被測量出之后要被輸入算術邏輯處理器或微處理器的常量。因此，δL和δd的符號不會改變。換句話說，這些誤差是一種固定誤差。δt1、δt2和δΔt為每個傳輸時間t1和t2的誤差，并且Δt＝t2-t1。
如在公式(6)所表示的，即使t1和t2是在把A減小到足以被忽略的條件下被精確地測量出的，如果δL和δd相對更大的話，那么流速測量誤差δV也會變得更大。在這里，L的測量誤差δL要乘以2是因為L2的緣故。在管道的情況中，斷面面積S是通過測量出內部直徑D來計算出的S=πD24]]>斷面面積的計算誤差公式如下δS＝2δD(7)其中，δD為內部直徑D的測量誤差。
因此，幾何整數(shù)或常量L，d，D的測量誤差如下面公式一樣表現(xiàn)為一個流量測量誤差δQ＝(2δL+δd+δD)+A(8)這些誤差為表示成一個其符號已知的算術總和的固定誤差。
在凸緣式流量計的情況中，內部直徑D被測量幾次以獲得其平均值D，因此δS＝2δD被固定以變得更小。但是，測量出傳感器之間的間距LI并不簡單。有一種能夠準確測量出內部直徑的測量裝置，但是沒有能夠直接測量出與管道軸線呈夾角設置的傳感器之間的超聲波傳輸距離Li的精確測量裝置。為此，很難把δLi的數(shù)值固定到小至足以被忽略的程度。通過測量出間距和傳感器的安裝角度來計算出的投影距離d＝Lcos的測量誤差δd的公式如下δd＝δL+δcos(9)在這里，δcosφ=cos(φ±α)cosφ=cosα+-tanφsinα-1]]>因此，δd的計算公式如下δdMAX＝δL+(cosα+tansinα-1)(10)其中，α為所要測量的角度的絕對誤差，例如如果＝45°并且α＝0.25°的話，那么δcos≈0.44％。幾何距離的測量誤差δh的計算公式如下δh＝2δL+δd+2δD≌3δL+2δD(11)但是，如果傳感器都是安裝在已經被安裝到位的管道上的話，那么就不能夠直接測量出管道的內部直徑D。另外，由管子制造商規(guī)定的內部直徑有一個預定的偏差。如果涂有一層防腐層的話，那么就不能確定出其厚度。由于這個緣故，通常內部直徑的絕對誤差大約為2-4mm。如果ΔD＝4mm的話，那么δD＝4×100/600≌0.67％，并且δS＝2×0.67＝1.34％。
另一方面，公開了一種采用超聲波準確測量出傳輸距離Li的方法。在管道的流體中的聲波速度C通過一種三點式方法測量，然后測量出成對傳感器之間的傳輸時間t1.2，這樣L＝C×t1.2，這就給出了L的準確數(shù)值。例如，在1996年7月2日公開的美國專利No.5,531,124中所披露的一種方法包括以下步驟測量出成對的傳感器之間的傳輸時間t1.2，把一個傳感器以ΔL的深度插入進管子中，并再次測量出傳輸時間tΔ，從而測量出在管子內部直徑上的流速。t1.2=LC;tΔ=L-ΔLC;t1.2-tΔ=ΔLC-----(12)]]> Li＝C(t1.2)i (13)如果傳輸時間t1.2和距離ΔL是被很精確地測量出的話，那么Li的誤差就會更小。相反，如果內部直徑越大的話，那么由公式(12)和(13)獲得的Li的誤差也會變得越大。原因如下由公式(12)得到的聲波速度C是在間隔ΔL中的聲波速度，但是它不等于在該間隔ΔL中的聲波速度。換句話說，如果與管壁距離一個預定距離的間隔ΔL的流體溫度并不與所有間隔Li的平均溫度一致的話，那么由公式(12)得到的聲波速度C就不會與間隔Li中的聲波速度CLi相同。如果 的話，那么C就等于CLi。但是，如果管子的內部直徑更大的話，那么用于測量聲波速度的傳感器的長度就要延長，因為Li變得更大了。
本發(fā)明的一個主要目的在于提供一種超聲波流量測量方法，它用于測量多個流體流動斷面上的流速然后計算出流量或流率，如果超聲波傳感器安裝在已經被布置到位的管子上的話。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種超聲波流量測量方法，它可顯著降低測量和計算流速和流量時的幾何整數(shù)誤差成分。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種超聲波流量測量方法，用于使每對傳感器的安裝角度相同，以利于把傳感器安裝在已經布置到位的管子上。
根據(jù)本發(fā)明，一種超聲波流量測量方法包括以下步驟選擇以呈45°的角度剖切的管子的一個內部斷面區(qū)域S作為流量測量斷面，其中內部斷面區(qū)域S為橢圓形或卵形，把成對的傳感器安裝在內部斷面區(qū)域S中具有長直徑的兩點處，沿著橢圓的周邊將預定數(shù)量的成對傳感器安裝在長直徑的中心的兩側，利用超聲波測量出在該橢圓的多條弦上的流速，計算出內部斷面區(qū)域S的平均流速，并且用內部斷面面積S乘以該平均流速，以測量出流量或流率，其中內部斷面區(qū)域S的長直徑利用超聲波測量出來。
下面參照附圖對本發(fā)明進行詳細描述，其中圖1顯示了根據(jù)現(xiàn)有技術的一種超聲波流速測量方法；圖2A和2B示出了現(xiàn)有技術的一種超聲波多通道流量測量方法的結構；圖3的示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明選擇流量測量斷面的方法；圖4的示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明通過安裝多對成對的傳感器來測量流量的方法；圖5的剖面示意圖顯示出了用于準確測量出根據(jù)本發(fā)明的成對傳感器之間距離的聲波速度測量裝置；以及圖6A和6B的示意圖示出了測量一水道中的流量的方法，其中圖6A的平面圖顯示出用于測量多個水深處的水平平均流速的成對傳感器的安裝狀態(tài)，而圖6B為圖6A的剖面視圖。
流量或流率Q是把與流速方向成直角的斷面面積S乘以斷面平均流速Vs得出的。如果在管子流動的流體的流速方向對應于管子的中心線的話，那么采用超聲波在第一步中所要測量出的流速VL如下所示VL＝Vcos (14)因此，把與流速方向成直角的斷面面積Se乘以斷面流速VL所得到的值q與把流速V與斷面面積S相乘得到的值相同。
q＝VL·Se＝V·S (15)這樣一種關系表示在圖3中。在圖3中，斷面面積S根據(jù)下式計算S=πD24]]>橢圓形的斷面面積Se如下式一樣計算Se⊤=π4LeD]]>其中Le為橢圓Se的長直徑，并且D為等于管子內部直徑的短直徑。長直徑Le計算如下Le=Dcosφ]]>因此，Se根據(jù)下式計算 把公式(16)代入公式(15)，然后代入公式(14)代替VL。由此可以得到以下公式。 如果＝45°的話，假設橢圓的面積為Se并且成對傳感器1和2都安裝在形成該橢圓的長直徑的兩個頂點上，那么成對傳感器之間的間距L可看作橢圓Se的長直徑。如果≠45°的話，那么橢圓面積Se按下式選擇 其中，L為設置在橢圓的長直徑的兩個頂點處的成對傳感器1和2之間的間距，并且Le＝Ltan是長直徑。
如果＝45°的話，例如tan45°＝1，Se＝S，那么其長直徑為L。
由超聲波傳輸時間差方法測量出的流速VL的方向對應于把成對傳感器1和2相互連接起來的直線L的方向，并且流速VL的計算公式如下VL=L2t2-t1t1t2---(18)]]>公式(18)推導如下t1=LC+Vcosφ=LC+VL]]>t2=LC-Vcosφ=LC-VL]]>因此，從上面的公式可以建立如下的相應的公式C+VL=Lt1---(a)]]>C-VL=Lt2----(b)]]>也就是說， 是從如下公式得到的2VL=Lt2-t1t1t2]]> 因此，可建立起公式(18)。在這里，據(jù)稱傳輸時間法取決于聲波速度C2，但這實質上是錯誤的。
如圖4所示，如果＝45°的話，多個成對的傳感器沿著具有長直徑L的橢圓的周邊安裝，測量出在橢圓形斷面區(qū)域S的多條弦上的流速VLi以計算出平均流速VS，然后把該平均流速VS乘以橢圓形斷面面積S以得到流體通過管子的流量或流率Qm2/s。并且，成對傳感器1i和2i的安裝角度彼此要相等。換句話說，必須固定在45°的相同角度上。因此，與現(xiàn)有技術相比較而言，就容易把成對的傳感器安裝在管子上，因為沿著管子的切割角度成對的傳感器是以相同的角度＝45°安裝的。這樣，就沒有必要計算出進入對應于管子中心線的流速方向分量的流速VL。
在公式(18)中，流速VL的測量誤差δVL通過下式計算δVL=δL+δ2t1+δ2t2+δ2Δt=δL+A----(19)]]>公式(19)與基于現(xiàn)有技術的流速V的測量誤差公式(5)相比較如下δV-δVL＝(2δL+δd+A)-(δL+A)＝δL+δd(20)換句話說，在相同的條件下測量誤差減小了δL+δd。然后，斷面面積的測量誤差δD和δSψ之間的比較如下δS＝2δDδSψ＝δL+δD如果δL＜＜δD的話，那么橢圓形斷面面積S的測量誤差比傳統(tǒng)技術降低了兩倍。因為不可能直接測量出管子的內部直徑，所以，當成對的傳感器都安裝在已經安裝到位的管子上時候，δD越大效果越明顯。例如，如果δD＜1％，δS＝2δD＝2.0。如果通過準確地測量出Le和L 而可以忽略δL的話，那么δSψ＝δD＝1％。
準確地測量出L的方法如下當成對的傳感器被安裝在管子上的時候，預先安裝好一個閥。如圖5中所示，通過打開管子的閥門以使容器3充滿流體。測量出該容器的流體中的聲波速度。為此，一個支承桿6包括有傳感器4和5，這兩個傳感器彼此相隔一個預定的間距。支承桿6被設置在容器3中的一個預定深度處。首先，設置傳感器4和5，以使它們之間具有一個間距l(xiāng)1，以測量出超聲波傳輸時間tl1。然后，將傳感器5移動一個附加距離l1，這樣l2＝2l1。在那時，就測量出傳輸時間tl2。因此，建立了下列公式tl1=l1C+τ+Δt‾]]>tl2=2l2C+τ+Δt‾]]>其中，τ為電子信號在傳輸時間測量電路中的延遲時間，而Δt為傳輸測量電路的固定絕對誤差。
聲波速度C是利用tl1和tl2按如下公式計算得到的C=l1tl2-tl1---(21)]]>如果tl1和tl2的偶然誤差為 ，誤差Δtl＝tl2-tl1的公式如下δΔtl=2Δ~2ttl2-tl1=1.4×Δ~t×Cl1----(22)]]>因此，就容易把 固定等于2·2-9·S。如果l1＝0.5m并且C＝1500m/s，那么測量誤差的公式如下δΔtl=1.4×2×10-9×15000.5×100=8.4×10-3%]]>在l1＝0.5m的情況下，就容易在±0.5m的誤差范圍內測量出l1。例如，δl1=0.05×100500=0.01%]]>因此，聲波速度C的測量誤差δC的公式如下δC＝δl+δΔtl＝0.01+8.4×10-3＝0.01％由于成對傳感器之間的傳輸時間ti是采用聲波速度C測量出的，因此成對傳感器之間的間距Li可以采用Li＝C×ti被準確地測量出。
如果安裝超聲波流量計的成對傳感器的管道的一部分是做成凸緣的話，那么就要把管子的一個側面堵住以不讓液體從中泄漏出來。把該管子垂直地抬起以完全充滿液體，然后把如圖5中所示的聲波測量裝置設置在管子中以通過測量出聲波速度來得到間距Li。象這樣的聲波速度測量方法也被稱作三點式測量方法。
根據(jù)本發(fā)明，流量測量方法包括以下步驟測量出流體對應于超聲波傳輸軌跡L的流動速度分量VL，該分量與流體的流動速度方向成一個特定的角度，以便通過超聲波測量出流體流經管子的流動速度V，然后把流動速度分量的數(shù)值乘以流體斷面面積Se，從而計算出流量或流率。即使流動速度V的方向與管子的中心線不同，例如在管子的彎頭附近的位置處測量流量，也不會出現(xiàn)大的誤差。
本發(fā)明的流量測量方法也可用于一個敞開的水道，該水道如圖6A和6B中所示。把成對的傳感器1i和2i設置在一條與敞開水道的中心線成45°的角度的直線上的多個深度處。把斷面區(qū)域S當作流量測量斷面，通過測量出沿著間距Li的直線的多個深度來計算出該面積。在敞開水道的斷面以一個等于Lcos的間隔d均勻分布的條件下，可以非常準確地測量出流量，即使由于敞開水道的上游或下游的彎曲部分的緣故而使彎曲流量分量的流動速度增加也可以準確地測量出流量，而不用確定出彎曲流量的角度。
另一個效果如下如果成對的傳感器如圖6中所示根據(jù)傳統(tǒng)方法沿著虛線I和II安裝的話，那么成對的傳感器的安裝角度彼此就不相同。因此，就應該調整成對傳感器的安裝角度，但是調整工作非常難以進行，因為，成對的傳感器是浸在流體中的。相反，根據(jù)本發(fā)明，成對傳感器是設置在間距為L的直線上的，并且它們的安裝角度彼此相同。因此，本發(fā)明只要求通過調整成對傳感器的支承桿來調整角度。
如上所述，本發(fā)明著重說明了采用傳輸時間差方法來測量出流動速度VL的方法，但是本發(fā)明如果采用相位差方法也能達到同樣的效果。
權利要求
1.一種超聲波流量測量方法，用于利用超聲波測量出流體斷面上多條弦處的流速并用所測出的流速乘以流體斷面面積從而計算出流量，它包括以下步驟選擇一個以與流速方向呈45°的角剖切流體的斷面區(qū)域S作為流量測量斷面；利用超聲波測量出分割斷面區(qū)域S的多條弦上的流速，以計算出斷面區(qū)域S上的流速；并且用斷面面積S乘以斷面流速，以計算出流量，其中如果角度沒有固定為45°的話，用于流量計算的斷面面積為Stan。
2.如權利要求1所述的超聲波流量測量方法，其特征在于，該超聲波流量測量方法還包括以下步驟如果該超聲波流量測量方法適用于一管子的話，選擇橢圓形式的斷面區(qū)域S，在該橢圓的具有長直徑的頂點上安裝一對用于測量流速的傳感器，并且通過參照所述頂點在其左側和右側安裝另一對傳感器，以形成用于超聲波流速測量的多通道。
3.如權利要求1所述的超聲波流量測量方法，其特征在于，該超聲波流量測量方法還包括以下步驟如果該超聲波流量測量方法適用于一個敞開水道的話，設置成對的傳感器，以測量在沿著與對應于敞開水道的兩側壁的傾斜表面的斷面區(qū)域S接觸的周線的多個深度處的水平平均流速。
4.如權利要求2所述的超聲波流量測量方法，其特征在于，計算斷面面積S的步驟包括利用安裝在形成橢圓形斷面區(qū)域S的長直徑的兩個頂點上的成對傳感器之間的間距L以及一種三點式測量方法測量出聲波速度，并且把該聲波速度乘以在成對傳感器之間的超聲波傳輸時間，從而得到橢圓的長直徑。
全文摘要
一種超聲波測量方法,包括以下步驟:選擇與用于測量流速的超聲波輸送軌跡線成直角的一個斷面區(qū)域作為流量測量所必需的斷面區(qū)域;并且把直接由超聲波測量出的對應于超聲波輸送軌跡的方向的流速分量乘以斷面面積,從而計算出流量或流率,這樣能夠顯著地降低流量測量誤差和斷面面積的測量誤差,從而提高了流量測量的精確度。
文檔編號G01F1/66GK1344914SQ0110050
公開日2002年4月17日 申請日期2001年1月5日 優(yōu)先權日2000年9月15日
發(fā)明者張學壽 申請人:海德羅索尼科國際有限公司, 國際海德羅索尼科有限公司