專利名稱：：局部形成的流動(dòng)剖面的多路徑超聲波流量計(jì)量方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明大致涉及一種流量測(cè)量的方法和系統(tǒng)，具體地，實(shí)施例涉及與局部形成的流動(dòng)剖面的多路徑超聲波流量計(jì)量。
背景技術(shù)：
：在涉及流體的流動(dòng)的工業(yè)中，經(jīng)常需要流量的精確計(jì)量。例如，在石油和天然氣工業(yè)中，在密閉輸送(所有權(quán)的轉(zhuǎn)移，例如在原油裝載和卸載站處)、泄漏檢查和過程控制應(yīng)用中需要精確的流量計(jì)量。傳統(tǒng)的流量計(jì)量技術(shù)包括渦輪流量計(jì)和容積式流量計(jì)。近來，多路徑超聲波流量計(jì)由于它們超過傳統(tǒng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)而贏得在該市場(chǎng)中的份額。這些優(yōu)點(diǎn)包括由于在這些超聲波流量計(jì)中不使用活動(dòng)部件而帶來的、良好的長(zhǎng)期重復(fù)性、對(duì)諸如速度和壓力的更少敏感性、更好的開盒(open-box)精度、更寬的線性范圍、和更低的維修成本。在典型的運(yùn)行中，超聲波流量計(jì)使用變速器以發(fā)射超聲波束到流動(dòng)流體中，并且超聲波能量由第二變速器接收。攜帶超聲波的流改變波的頻率(多普勒效應(yīng))和傳播時(shí)間(速度疊加)，并且可以測(cè)量這兩個(gè)量以確定流量。基于這些原則，兩個(gè)主要超聲波流量計(jì)量技術(shù)包括多普勒效應(yīng)法和傳播時(shí)間法。在流量計(jì)的一些配置中，變速器夾緊在管的外壁上。為實(shí)現(xiàn)更好的測(cè)量精度，變速器可選擇性地布置在管壁內(nèi)，并且這樣的變速器被稱作“濕”變速器。已研發(fā)了一些測(cè)量側(cè)面的方法，絕大多數(shù)基于多普勒技術(shù)(例如，美國(guó)專利No.6,067,861，美國(guó)專利No.6,378,357)。然而，多普勒(Dopler)信號(hào)非常依賴顆粒的大小和濃度，所述顆粒的大小和濃度會(huì)變化并導(dǎo)致不良的重復(fù)性。業(yè)界廣泛認(rèn)為只有與濕變速器相結(jié)合的多路徑傳播時(shí)間流量計(jì)可用于上述高精度應(yīng)用。完善地確立了傳播時(shí)間超聲波計(jì)量的規(guī)則。根據(jù)美國(guó)石油組織(API)標(biāo)準(zhǔn)(APIH00008，ManualofPetroleumMeasurementStandards，MeasurementofLiquidHrdrocarbonsbyUltrasonicFlowmetersUsingTransitTime)，沿超聲波路徑的平均速度可自以下公式得出Vi=L2cosθ*t2-t1t1*t2---(1)]]>其中Vi是對(duì)于路徑i的路徑平均流動(dòng)速度(即，沿具體超聲波路徑的平均速度)，L是超聲波路徑的長(zhǎng)度，θ是超聲波路徑和流體速度向量之間的夾角，而t1和t2分別是順流動(dòng)方向和逆流動(dòng)方向的超聲波傳播時(shí)間。應(yīng)當(dāng)說明的是，所測(cè)量的路徑平均速度Vi不同于流動(dòng)平均速度Vavg，后者是在流動(dòng)橫截面上所求得的速度。Vi是使用公式(1)從超聲波傳播時(shí)間流量計(jì)直接測(cè)得的，而Vavg給出在諸如密閉傳送中重要的流速(flowrate)。這兩個(gè)速度之間的比率Ki可定義為Ki=VavgVi---(2)]]>并且比率Ki被稱作管道系數(shù)。在以下說明中，Vi被稱作路徑速度，而Vavg被稱作平均速度。管道流動(dòng)基本上以兩種模式之一流動(dòng)。廣泛接受的用于這些流動(dòng)模式的數(shù)學(xué)模型是V(r)=Vc*(1-r2R2),]]>用于層流(3)V(r)=Vc*(1-rR)1N]]>用于平滑壁的管中的湍流(4)其中V(r)是離管中心線距離r處的速度，R是管半徑，Vc是沿管中心線的流速，N是冪定律因數(shù)(power-lawfactor)。冪定律因數(shù)N是湍流的特征值。對(duì)于完全形成的湍流，冪定律因數(shù)N可使用在文獻(xiàn)(即，L.Lynnworth的“UltrasonicMeasurementforProcessControl(用于過程控制的超聲計(jì)量)”，AcademicPress，SanDiego，1989)中所說明的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算N＝1.66*logRe，(5)其中Re是雷諾數(shù)，它是流速V和流體粘度μ的函數(shù)Re=DVρμ,---(6)]]>其中D是管直徑，而ρ是流體密度。在實(shí)際的應(yīng)用中，經(jīng)常不能精確地量化管和流體情況，而通常不能使用公式(5)和(6)來獲得高精度測(cè)量中的N。因此，對(duì)于特定的湍流，需要在兩個(gè)流動(dòng)路徑處的至少兩個(gè)測(cè)量以解出兩個(gè)未知數(shù)N和Vc的方程。這就是為何通常需要多路徑超聲波技術(shù)以解出流動(dòng)剖面變量。參照?qǐng)D1A，所示管1具有三對(duì)變速器，11a和11b、12a和12b、13a和13b。箭頭2顯示了流動(dòng)方向。變速器對(duì)之間的線顯示了它們的超聲波路徑。在此配置下，11a和11b之間的超聲波路徑與管中心線相交，并被稱為對(duì)角線路徑。從路徑到管中心線的最短的距離被稱為管道水平(channellevel)。對(duì)角線路徑的管道水平為0。即使兩個(gè)變速器對(duì)處于不同的位置，12a和12b之間的路徑和13a和13b之間的路徑也具有相同管道水平h。圖1A還圖示說明了示例性的流動(dòng)剖面3。管道因數(shù)Ki取決于流動(dòng)剖面和超聲波路徑的位置。對(duì)于對(duì)角線超聲波路徑，管道因數(shù)是0.75，用于層流；和∫0R(1-rR)1N*2*r*drR*∫0R(1-rR)1N*dr,]]>用于湍流(7)。參照?qǐng)D1B，在對(duì)角線超聲波路徑的情況下，管道因數(shù)K(垂直軸線)顯示為雷諾數(shù)Re(水平軸)。對(duì)于非對(duì)角線超聲波路徑，K值也可通過相似的方法得到。對(duì)于層流和湍流流動(dòng)剖面，K值和路徑位置之間的關(guān)系已進(jìn)行了充分地研究過，追溯到1978美國(guó)專利No.4,078,428。因此，對(duì)于層流和湍流兩者，恰當(dāng)?shù)囟x所測(cè)速度和實(shí)際平均速度之間的關(guān)系。對(duì)于超聲波流量計(jì)的主要挑戰(zhàn)是基于有限數(shù)量的路徑迅速地檢測(cè)流動(dòng)剖面。對(duì)于湍流，所測(cè)量路徑速度的隨機(jī)性會(huì)導(dǎo)致距平均值高達(dá)10％的瞬時(shí)偏離，并且少量的路徑使得難以獲得令人滿意的統(tǒng)計(jì)的平均流速。和本質(zhì)上計(jì)算流動(dòng)的整個(gè)橫截面的平均值的渦輪式流量計(jì)不同，傳播時(shí)間超聲波流量計(jì)僅測(cè)量所選擇的有限數(shù)量的流速。為了計(jì)算所測(cè)量速度的隨機(jī)性平均值，超聲波流量計(jì)需要或者具有對(duì)原始數(shù)據(jù)的很大衰減，或者具有與流動(dòng)剖面相交分布的更多路徑。當(dāng)測(cè)量小體積時(shí)，使用大阻尼將對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間產(chǎn)生不利影響并導(dǎo)致不良的重復(fù)性。另一方面，添加大量管道測(cè)量更多路徑會(huì)大大增加系統(tǒng)成本。對(duì)于超聲波流量計(jì)更大的挑戰(zhàn)問題是檢測(cè)局部形成的流動(dòng)剖面。完全形成的流動(dòng)剖面可定義為不沿著管改變的流動(dòng)速度分布圖形。具有圍繞管中心線對(duì)稱速度分布的、并具有沿著管而逐漸變化的流動(dòng)速度分布的流動(dòng)剖面在本發(fā)明中稱為局部形成的流動(dòng)剖面。一個(gè)是在高粘度流體中發(fā)生的湍流和層流之間的過渡剖面。另一個(gè)是由于流量調(diào)節(jié)裝置的存在，所述流量調(diào)節(jié)裝置不具有供剖面完全形成的足夠的下游長(zhǎng)度。湍流和層流之間的過渡正常地發(fā)生在雷諾數(shù)是大約2300的時(shí)候并已被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。然而，如圖1B中所示，根據(jù)流體和管的條件，該過渡可發(fā)生在大范圍的雷諾數(shù)中并可具有記憶效應(yīng)。結(jié)果，使用雷諾數(shù)作為流動(dòng)剖面模型的單獨(dú)的指標(biāo)是不精確的。靠近過渡范圍的部分形成的剖面會(huì)引起在流量計(jì)量中不可接受的不良重復(fù)性，因?yàn)閷恿髂Ｐ突蛲牧髂Ｐ投疾荒芎芎玫財(cái)M合剖面。作為已知事實(shí)，穩(wěn)定的剖面需要管中的一段直的、無障礙的距離以完全地形成。參照?qǐng)D2，活塞流21具有貫穿具有直徑D的管23的橫截面的恒定的速度，所述活塞流21從遠(yuǎn)大于管23的管22進(jìn)入管23。流動(dòng)起初具有局部形成的剖面24。在進(jìn)口段長(zhǎng)度25之后，流動(dòng)具有完成形成的剖面26。理論和實(shí)驗(yàn)兩者都顯示進(jìn)口段長(zhǎng)度25需要是管直徑D的一百倍以便層流剖面完全地形成，是管直徑D的80倍以便湍流剖面完全地形成(見R.W.FoxandA.T.McDonald，“IntroductiontoFluidMechanics”，3rded.，JohnWileyandSons，NewYork，1992)。在實(shí)踐中，進(jìn)口流動(dòng)很少具有活塞剖面的形式，流量計(jì)制造業(yè)一般推薦是管道直徑10到15倍的直線長(zhǎng)度，以具有可預(yù)測(cè)的流動(dòng)剖面的測(cè)量。對(duì)于多路徑密閉傳送流量計(jì)，一般的實(shí)踐是將流量調(diào)節(jié)裝置安裝在流量計(jì)上游。流量計(jì)的主要目的是減少漩渦并減少不對(duì)稱的剖面扭曲。較短的流量調(diào)節(jié)設(shè)備距離始終有利于制造商和用戶。美國(guó)專利No.6,647,806還提出，流量調(diào)節(jié)裝置和流量計(jì)之間的更短的距離可改善測(cè)量的重復(fù)性。參照顯示了API所推薦的流量調(diào)節(jié)裝置31的圖3，所述流量調(diào)節(jié)裝置31由具有長(zhǎng)度B的一束小管制成，并且距管進(jìn)口距離A被安裝在管32中。流量調(diào)節(jié)裝置31的下游的距離C推薦為是管32的直徑D的至少5倍。裝置31旨在使流動(dòng)剖面平滑。結(jié)果，裝置31的存在或者將擾亂層流剖面，或者將使湍流剖面變平。在任一種情況下，在有限的進(jìn)口距離內(nèi)，不能完全地形成典型的流動(dòng)剖面(即層流或者湍流)。具體地，在調(diào)節(jié)裝置的下游，湍流所具有的雷諾數(shù)會(huì)遠(yuǎn)大于利用公式(5)所估計(jì)的雷諾數(shù)，而湍流-層流過渡會(huì)在雷諾數(shù)遠(yuǎn)小于2300時(shí)發(fā)生。在任一情況下，流動(dòng)剖面將不能根據(jù)雷諾數(shù)而預(yù)測(cè)。仍然需要的是實(shí)時(shí)監(jiān)視部分形成的流動(dòng)剖面的改進(jìn)的系統(tǒng)和方法。
發(fā)明內(nèi)容在一方面，此處所披露的實(shí)施方式涉及一種用于確定流動(dòng)流體的速度的方法，包括以下步驟估計(jì)用于流動(dòng)流體的雷諾數(shù)；將估計(jì)出的雷諾數(shù)與所選擇的范圍相比較；和根據(jù)從層流模型、湍流模型和局部層流模型中所選擇的流動(dòng)模型而確定流動(dòng)流體的速度。在另一方面，此處所披露的實(shí)施例涉及一種超聲波流量計(jì)，所述超聲波流量計(jì)包括多對(duì)變速器，所述多對(duì)變速器被配置成形成管道中的多個(gè)測(cè)量路徑。所述多個(gè)測(cè)量路徑相對(duì)于管道中心線非對(duì)稱地進(jìn)行布置。本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將從以下說明書和隨附權(quán)利要求書中變得清楚。圖1A顯示了現(xiàn)有技術(shù)的多路徑的超聲波傳播時(shí)間流量計(jì)的配置；圖1B顯示了圖表，圖示說明了對(duì)于不同雷諾數(shù)Re處的對(duì)角線超聲波路徑的K值；圖2顯示了流動(dòng)速度剖面完全形成所需要的固定的進(jìn)口長(zhǎng)度的過程；圖3圖示說明了API推薦的流量調(diào)節(jié)裝置；圖4A和4B顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的局部層流剖面模型；圖5顯示了用于湍流的預(yù)先計(jì)算的二維K值曲線；圖6顯示了用于部分層流的預(yù)先計(jì)算的二維K值曲線；圖7顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一組得出的一維湍流K曲線；圖8顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一組得出的一維部分層流K曲線；圖9顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的用于計(jì)算流動(dòng)剖面的方法的流程圖；圖10圖示說明了具有非對(duì)稱布置的超聲波變速器的示例性流量計(jì)。應(yīng)當(dāng)理解為，附圖僅用于圖示說明的目的，而不用作本發(fā)明的邊界和范圍的限定，也不作為用于將不存在的或未陳述的限制加入權(quán)利要求的基礎(chǔ)。具體實(shí)施例方式一方面，本文披露的一些實(shí)施例涉及方法，所述方法用于測(cè)量即使存在局部形成的流動(dòng)剖面的情況下的流量，所述局部形成的流動(dòng)剖面的存在或者是由流量調(diào)節(jié)裝置引起或者是由層流—湍流剖面過渡所引起的。本發(fā)明的實(shí)施方式可包括以下部分中的一些或全部(1)在層流—湍流過渡期間提出不確定階段的局部層流剖面模型；(2)剖面搜索和覆蓋大范圍剖面的合適的算法；(3)具有對(duì)于管中心線不同的管道水平的超聲波路徑的結(jié)合。另一方面，本文所披露的一些實(shí)施例涉及可精確地測(cè)量局部形成的流動(dòng)剖面的方法和多路徑超聲波流量計(jì)系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)可包括具有兩個(gè)或多個(gè)超聲波路徑的圓筒形超聲波環(huán)繞件(spoolpiece)，其中所述兩個(gè)或多個(gè)超聲波路徑具有不同的管道水平。一些實(shí)施例也可包括流量調(diào)節(jié)裝置，所述流量調(diào)節(jié)裝置消除絕大多數(shù)漩渦和不對(duì)稱的流動(dòng)部分。本發(fā)明的方法可使用局部層流模型，所述局部層流模型更好地表示在流量調(diào)節(jié)裝置之后，尤其在低雷諾數(shù)時(shí)局部形成的流動(dòng)剖面。本發(fā)明的方法也可使用一種算法，所述算法搜尋所檢測(cè)的剖面對(duì)于層流、部分層流或者湍流剖面的最佳擬合。圖4A和4B圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的局部層流剖面。圖4A顯示了沿管中心線的橫截面的視圖。管具有直徑D。虛線41-44代表四個(gè)超聲波路徑的投影位置。流動(dòng)速度剖面可分為兩個(gè)區(qū)域?qū)恿鲄^(qū)46和平坦區(qū)(flatregion)。Vc是如果層流剖面完全形成的中心線速度。偏離層流的中心流動(dòng)剖面的平整(圖4A中的虛線部分)可以是層流經(jīng)過流量調(diào)節(jié)裝置的結(jié)果。因此，此情形下的該組測(cè)量路徑速度將不能很好地?cái)M合純層流剖面模型。理想地，在經(jīng)過流量調(diào)節(jié)裝置的下游的充分距離之后，層流將從管壁附近重新建立并且平坦區(qū)將縮小并逐漸消失。然而，在實(shí)際的應(yīng)用中，流量調(diào)節(jié)裝置和流量計(jì)之間的距離對(duì)于層流剖面的完全形成并不夠長(zhǎng)，并且超聲波束將必須通過與圖4A中所示的剖面相似的局部形成的層流剖面。圖4B顯示了在垂直于流動(dòng)方向的平面中的橫截面視圖。在局部形成的層流剖面的該模型中，平坦區(qū)45具有離管中心線的半徑r。部分層流因數(shù)d被定義為在半徑R的管中的平坦區(qū)的百分比，即d＝r/R。當(dāng)雷諾數(shù)靠近過渡點(diǎn)時(shí)局部層流因數(shù)是未知的并需要在流量測(cè)量期間解出。特定路徑的位置由管道水平h表征，所述管道水平h是路徑的中心點(diǎn)到管中心線的最短距離?；仡^參照?qǐng)D4A，路徑41的管道水平不等于路徑43的管道水平也不等于路徑44的管道水平，表示路徑41、43和44圍繞管中心線不對(duì)稱地分布。相似地，當(dāng)湍流經(jīng)過調(diào)節(jié)裝置時(shí)，下游長(zhǎng)度可能不足以使湍流剖面完全地形成。平整的剖面仍將是湍流剖面，但具有比從雷諾數(shù)估計(jì)的冪定律因數(shù)更高的冪定律因數(shù)。此外，需要迅速的并寬范圍的剖面搜尋方法以解決兩個(gè)未知數(shù)中心速度Vc和冪定律因數(shù)N。本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及剖面搜尋和合適算法。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的算法適合所有剖面，包括局部形成剖面。如上所述，層流和湍流產(chǎn)生在雷諾數(shù)范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的雷諾數(shù)基本不依賴于特定的雷諾數(shù)。相反，算法具有三個(gè)大搜尋范圍純層流、過渡的和湍流。在過渡范圍中，層流、局部形成的層流和湍流剖面都是測(cè)試擬合的并且最佳的擬合被用作剖面模型。該算法需要密集計(jì)算(intensivecomputation)，尤其當(dāng)涉及大量的積分計(jì)算的疊代(iteration)時(shí)。如上所述，對(duì)于已知的超聲波路徑和已知的流動(dòng)剖面，管道因數(shù)K與路徑速度和平均速度有關(guān)。為了從所測(cè)的路徑速度得出平均速度，必須首先得出用于特定路徑的管道因數(shù)K。根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，可以使用一種程序以產(chǎn)生作為管道水平h、冪定律因數(shù)N和部分層流因數(shù)r/R的函數(shù)的管道因數(shù)K的數(shù)據(jù)庫(kù)。然后可以將數(shù)據(jù)庫(kù)用作查找表格以迅速地確認(rèn)對(duì)于已知管道水平h，管道因數(shù)K和冪定律因數(shù)N或部分層流因數(shù)r/R之間的關(guān)系。參照?qǐng)D5，對(duì)于湍流或者部分形成的湍流，預(yù)先計(jì)算對(duì)于管道水平h(以管半徑R的百分比的形式)和冪定律因數(shù)N的所有可能組合的管道因數(shù)K并將其輸入二維陣列。相似地，圖6顯示了對(duì)于局部形成的層流，作為r/R和h/R的函數(shù)的K因數(shù)的二維陣列?？煽闯?，純層流是當(dāng)平坦區(qū)的半徑r是0時(shí)的部分層流的特殊情況。例如，參照?qǐng)D6，當(dāng)平坦區(qū)不存在(r/R＝0)時(shí)，并當(dāng)超聲波路徑是對(duì)角線(h/R＝0)時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)61的K因數(shù)的值為0.75。圖5和圖6中所顯示的二維管道因數(shù)陣列普遍地表征使用超聲波路徑的流量計(jì)量。這些K值可以保存為數(shù)據(jù)庫(kù)中的查找表格(lookuptable)，所述數(shù)據(jù)庫(kù)作為流量計(jì)計(jì)算程序的一部分。在流量計(jì)配置階段期間，從變速器對(duì)的位置得出一組管道水平h。程序然后從用于每一超聲波路徑i的查找表格中查尋Ki函數(shù)曲線。出于圖示說明的目的，圖7和圖8中顯示了從具有已知管道水平的二維陣列中取樣的兩組一維陣列。圖7顯示了作為N的函數(shù)的湍流K因數(shù)。四條曲線721-724對(duì)應(yīng)于通道1-4的四個(gè)不同路徑，并通過查尋用于四個(gè)特定h/R值的圖5中的二維陣列而獲得。例如，曲線722是用于具有對(duì)角線路徑的管道的K因數(shù)，并通過設(shè)定h/R＝0而從圖5得出所述曲線722。圖8顯示了用于局部形成的層流的，作為d的函數(shù)的K因數(shù)。四條曲線821-824對(duì)應(yīng)于通道1-4的四個(gè)不同的路徑，并通過查尋用于具有特定管道水平h的曲線的圖6而獲得。當(dāng)d＝0時(shí)，即當(dāng)流動(dòng)是純流動(dòng)時(shí)，在對(duì)角線路徑822處測(cè)得的K值是0.75。另一方面，當(dāng)d＝1時(shí)，即當(dāng)流動(dòng)是活塞流動(dòng)時(shí)，所有K值集中于值1。在典型的直線管中，當(dāng)雷諾數(shù)大約是2300時(shí)產(chǎn)生過渡流動(dòng)。該值會(huì)根據(jù)管條件以及流動(dòng)歷程而改變。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，如果雷諾數(shù)小于1000，層流在經(jīng)過流量調(diào)節(jié)裝置之后并在到達(dá)流量計(jì)線圈(meterspool)之前完全地形成。另一方面，當(dāng)存在流量調(diào)節(jié)裝置時(shí)，流動(dòng)不可能重新建立雷諾數(shù)大于5000的層流剖面?；谶@些結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)雷諾數(shù)在例如1000的下限和例如5000的上限之間時(shí)，局部層流模型用于擬合流動(dòng)剖面。下限1000和上限5000的值將用于本說明書中的示例的目的。本領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將意識(shí)到也可使用其它界限而不脫離本發(fā)明的范圍。例如，如果當(dāng)執(zhí)行測(cè)量時(shí)不能得到精確的流體速度，可以使用例如從500到10000的更大范圍的雷諾數(shù)以搜尋可能的過渡剖面。在流量計(jì)量期間，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，得出平均流動(dòng)速度的初始估計(jì)、和隨后的雷諾數(shù)的估計(jì)值。如果雷諾數(shù)Re＞5000，流動(dòng)很可能是湍流。程序然后基于估計(jì)的雷諾數(shù)Re利用公式(5)計(jì)算合適的N值。在估計(jì)的N的范圍內(nèi)，程序然后搜索圖7中的四條曲線以得出給出最佳組K因數(shù)的N，即根據(jù)四個(gè)測(cè)得的Vi和使用N值從圖7獲得的四個(gè)Ki得出的具有最少統(tǒng)計(jì)方差的Vavg＝Vi*Vi值。該新得出的N值比使用公式(5)計(jì)算出的N值更精確。搜索到的N值可反饋到用于疊代的程序從而具有更好的精度?？梢愿鶕?jù)具有最小統(tǒng)計(jì)方差的最佳擬合進(jìn)行曲線擬合。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到，不脫離本發(fā)明的范圍，可以使用許多類型的曲線擬合方法。另外，路徑的數(shù)量可多于4，或者少于4。如果在另一方面Re＜1000，程序使用合適的公式將所測(cè)得的數(shù)據(jù)與層流剖面相擬合。如果Re在1000和5000之間，并且不確定流動(dòng)是層流、部分層流或者湍流，程序嘗試?yán)萌齻€(gè)不同剖面擬合所測(cè)得的數(shù)據(jù)，并找到依次確定真實(shí)流動(dòng)剖面的最佳擬合。如果例如局部層流模型最好地?cái)M合數(shù)據(jù)，程序從圖8確定d值。從管中心線到距離r＝dR，流動(dòng)是“平坦”的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到，雖然平坦區(qū)中的流動(dòng)剖面使用恒定速度剖面進(jìn)行建模，可以使用更復(fù)雜的模型為與層流剖面不相同的平坦區(qū)中的流動(dòng)剖面建模。在流量計(jì)的運(yùn)行時(shí)間期間，由于訪問查找表格遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于實(shí)時(shí)積分計(jì)算，數(shù)據(jù)處理時(shí)間將極大地縮短，并且流量計(jì)可現(xiàn)場(chǎng)配置為不同的路徑布置。然而，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到，本發(fā)明的實(shí)施例可使用預(yù)先計(jì)算的查找表格或者用于實(shí)時(shí)計(jì)算的程序。圖9中圖示說明了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種方法。算法包括兩個(gè)狀態(tài)配置狀態(tài)91和運(yùn)行狀態(tài)92。在配置狀態(tài)91期間，在步驟911中，使用者確定路徑的唯一結(jié)合并將該信息輸入計(jì)算機(jī)程序中。利用在步驟912中預(yù)先計(jì)算出的二維管道因數(shù)陣列，計(jì)算機(jī)程序在步驟913中，如參照?qǐng)D7和圖8所述，得出用于特定路徑配置的管道因數(shù)。在運(yùn)行狀態(tài)92期間，流量剖面計(jì)算部分921首先利用公式(6)計(jì)算雷諾數(shù)，并在步驟922中將雷諾數(shù)與預(yù)先確定的范圍相比較。如果雷諾數(shù)小于預(yù)定范圍的下限(在該示例性情況下為1000)，程序在步驟923中執(zhí)行層流計(jì)算。如果雷諾數(shù)大于預(yù)定范圍的上限(在該示例性情況下為5000)，程序在步驟924中執(zhí)行湍流計(jì)算。如果雷諾數(shù)在預(yù)定范圍之內(nèi)(在該示例性情況下，位于1000和5000之間)，程序?qū)ふ覍恿髌拭?、湍流剖面和部分層流剖面之間的最佳擬合(步驟925)，并且然后相應(yīng)地執(zhí)行步驟923、924或者926。以上步驟可循環(huán)直到結(jié)果的精度令人滿意。如上所述的本發(fā)明的方法可具體化為一個(gè)或多個(gè)計(jì)算機(jī)程序，所述一個(gè)或多個(gè)程序適合于大范圍多路徑設(shè)計(jì)和流量調(diào)節(jié)裝置設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)配置。本發(fā)明的一些實(shí)施例涉及多路徑超聲波流量計(jì)。參照?qǐng)D10，其中圖示說明了具有不對(duì)稱的路徑布置設(shè)計(jì)的示例性的多路徑超聲波環(huán)繞件。在此實(shí)施例中，在橫截面視圖上顯示了四路徑環(huán)繞流量計(jì)。四對(duì)變速器101a和101b、102a和102b、103a和103b、104a和104b連接至管道的壁105，每一對(duì)變速器都測(cè)量特定路徑的流動(dòng)速度，諸如圖4A中的路徑41-44。變速器對(duì)連接到控制單元106，所述控制單元106可包括輸入/輸出控制電路107，電子數(shù)字計(jì)算機(jī)或者中央處理器(CPU)108和計(jì)算機(jī)可讀媒介109。計(jì)算機(jī)可讀媒介(例如存儲(chǔ)器(memory))109可存儲(chǔ)包含指令的程序以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的方法。在一些實(shí)施例中，計(jì)算機(jī)可讀媒介109還可存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，所述數(shù)據(jù)庫(kù)包括查找表格形式的計(jì)算結(jié)果。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到，對(duì)于控制單元106存在許多可能的實(shí)施例，并且可以使用許多不同類型的計(jì)算機(jī)可讀媒介存儲(chǔ)或傳送程序和/或數(shù)據(jù)庫(kù)，所述不同類型的計(jì)算機(jī)可讀媒介包括但不限于ROM、RAM、硬盤、軟盤、CD和閃存盤(flashdrive)。如上所述，需要至少兩個(gè)路徑以解決普通的流動(dòng)剖面，其中所述至少兩個(gè)路徑中的每一個(gè)都具有距管道中心線的不同的距離。然而在實(shí)施例中，通常必須有多于兩個(gè)的路徑以使測(cè)量的隨機(jī)性平均并增強(qiáng)隱藏于隨機(jī)過程中的剖面的分辨度。另一方面，超聲波路徑的數(shù)量始終受到尺寸約束和成本的限制。應(yīng)當(dāng)注意到，根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，多路徑具有圍繞管中心線的非對(duì)稱分布。這些路徑中的每一個(gè)都具有其離管中心線的不同的管道水平并且提供關(guān)于流動(dòng)剖面獨(dú)一無二的信息。相反，具有相同數(shù)量的路徑但使用對(duì)稱路徑分布的流量計(jì)環(huán)繞件將提供更少的信息。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)包括以下的一個(gè)或多個(gè)(a)覆蓋大范圍的流動(dòng)剖面進(jìn)行精確并迅速的流量計(jì)量，所述大范圍的流動(dòng)剖面包括層流、湍流和部分層流；(b)對(duì)選擇調(diào)節(jié)裝置的依賴性可以足夠小，并且比調(diào)節(jié)裝置與超聲波測(cè)量區(qū)域之間的標(biāo)準(zhǔn)距離可以足夠短，在安裝和成本上對(duì)使用者有利；(c)由于使用預(yù)先計(jì)算查找表格而更快進(jìn)行響應(yīng)；(d)由于路徑的非對(duì)稱配置，需要更少的超聲波路徑和變速器。盡管已針對(duì)有限數(shù)量的實(shí)施例說明了本發(fā)明，但受益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將意識(shí)到，可提出不脫離此處所披露的本發(fā)明的范圍的其它實(shí)施例。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅由權(quán)利要求進(jìn)行限制。權(quán)利要求1.一種用于確定流動(dòng)流體的速度的方法，包括以下步驟估計(jì)用于流動(dòng)流體的雷諾數(shù)；將所估計(jì)的雷諾數(shù)與所選擇的范圍相比較；并根據(jù)從層流模型、湍流模型和局部層流模型中所選擇的流動(dòng)模型確定流動(dòng)流體的速度。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所選擇的范圍從1,000到5,000。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所選擇的范圍從500到10,000。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中根據(jù)速度測(cè)量和流動(dòng)流體的粘度估計(jì)雷諾數(shù)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中利用超聲波流量計(jì)執(zhí)行速度測(cè)量。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中流動(dòng)模型是如果所估計(jì)的雷諾數(shù)大于所選擇范圍的上限，那么所述流動(dòng)模型是湍流模型，如果所估計(jì)的雷諾數(shù)小于所選擇的范圍的下限，那么所述流動(dòng)模型是層流，或者如果所估計(jì)的雷諾數(shù)在所選擇的界限以內(nèi)，那么所述流動(dòng)模型是從部分層流模型、湍流模型和層流模型中選擇的一個(gè)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中流動(dòng)模型是湍流模型，并且確定過程包括確定冪定律因數(shù)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中通過將利用多路徑超聲波流量計(jì)執(zhí)行的一組速度測(cè)量值與一組曲線相擬合而確定冪定律因數(shù)，該組曲線使管道因數(shù)與冪定律因數(shù)相關(guān)，其中該組曲線基于多路徑超聲波流量計(jì)的多路徑的位置。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中從包含預(yù)先計(jì)算的曲線的數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇該組曲線。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中流動(dòng)模型是從局部層流流動(dòng)模型、湍流流動(dòng)模型和層流流動(dòng)模型中選擇的其中一個(gè)，并且該確定過程包括估計(jì)局部層流因數(shù)，所述部分層流因數(shù)與流體流動(dòng)的橫截面中的非層流區(qū)域和整個(gè)流動(dòng)區(qū)域的比率相對(duì)應(yīng)。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述確定過程進(jìn)一步包括找到速度測(cè)量與從局部層流模型、層流模型和湍流模型中所選擇的模型的最佳擬合。12.一種存儲(chǔ)具有指令的程序的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，用于根據(jù)從層流模型、湍流模型和局部層流模型中所選擇的流動(dòng)模型確定流體的流動(dòng)速度，其中根據(jù)將估計(jì)的流體的雷諾數(shù)與雷諾數(shù)的選擇范圍相比較而選擇流動(dòng)模型。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中所選擇的范圍從500到10,000。14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中所選擇的范圍從1,000到5,000。15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)庫(kù)，所述數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)用于湍流模型的作為冪定律因數(shù)的函數(shù)的管道因數(shù)，并存儲(chǔ)用于局部層流模型的作為局部層流因數(shù)的函數(shù)的管道因數(shù)。16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其中程序進(jìn)一步包括用于計(jì)算用于湍流模型的作為冪定律因數(shù)的函數(shù)的管道因數(shù)的指令，和用于計(jì)算作為局部層流因數(shù)的函數(shù)的通道因數(shù)的指令，其中所述局部層流因數(shù)與流體流動(dòng)的橫截面中的非層流區(qū)域和整個(gè)流動(dòng)區(qū)域的比率相對(duì)應(yīng)。17.一種超聲波流量計(jì)，包括多對(duì)變速器，所述多對(duì)變速器被配置成在管中形成多個(gè)測(cè)量路徑，其中所述多個(gè)測(cè)量路徑相對(duì)于管中心線非對(duì)稱地布置。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的超聲波流量計(jì)，進(jìn)一步包括處理器和存儲(chǔ)器，其中存儲(chǔ)器存儲(chǔ)具有指令的程序，用于根據(jù)從層流模型、湍流模型和局部層流模型中所選擇的流動(dòng)模型而確定流動(dòng)速度，其中根據(jù)將流體的估計(jì)的雷諾數(shù)與雷諾數(shù)的所選擇的范圍相比較而選擇流動(dòng)模型。19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的超聲波流量計(jì)，其中存儲(chǔ)器進(jìn)一步存儲(chǔ)用于湍流模型的作為冪定律因數(shù)的函數(shù)的管道因數(shù)，和用于局部層流模型的作為局部層流因數(shù)的函數(shù)的管道因數(shù)。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的超聲波流量計(jì)，其中程序進(jìn)一步包括用于計(jì)算用于湍流模型的作為冪定律因數(shù)的函數(shù)的管道因數(shù)的指令，用于計(jì)算用于局部層流模型的作為局部層流因數(shù)的函數(shù)的管道因數(shù)的指令，和用于確定對(duì)于使用從局部層流模型、層流模型和湍流模型中所選擇的一個(gè)模型的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行最佳擬合的指令。全文摘要一種用于確定流動(dòng)流體的速度的方法，包括以下步驟估計(jì)用于流動(dòng)流體的雷諾數(shù)；將所估計(jì)的雷諾數(shù)與所選擇的范圍相比較；并根據(jù)從層流模型、湍流模型和局部層流模型中所選擇的流動(dòng)模型確定流動(dòng)流體的速度。一種超聲波流量計(jì)，包括多對(duì)變速器，所述多對(duì)變速器被配置成形成管中的多個(gè)測(cè)量路徑，其中多個(gè)測(cè)量路徑相對(duì)于管中心線非對(duì)稱地進(jìn)行布置。文檔編號(hào)G01F1/66GK1982895SQ20061016695公開日2007年6月20日申請(qǐng)日期2006年12月13日優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日發(fā)明者劉風(fēng)華,邁克爾·馬斯捷羅夫,普拉卡什·米斯特里申請(qǐng)人:思姆菲舍爾科技公司