[发明专利]超声波流量测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波流量测量装置，其包括测量管的孔洞中的超声波换能器，其中该超声波换能器具有超声辐射表面，本文称为超声窗口。

背景技术

通常在过程和自动化技术中应用超声波流量测量装置。它们允许简单地确定管道中的体积流量和/或质量流量。

已知的超声波流量测量装置通常根据多普勒原理或根据行进时间差原理工作。在行进时间差原理中，根据液体的流动方向评估超声波脉冲的不同行进时间。出于该原因，沿流动方向以及流动方向的相反方向，以相对于管轴的特定角度发送超声波脉冲。通过行进时间差，能够确定流速，并且由此在已知管道横截面的直径的情况下，确定体积流量。

通过超声波换能器的帮助，分别产生和接收超声波。在US-A5,052,230中，通过短超声波脉冲确定行进时间。

在管内的情况下，流量测量装置、超声波换能器接触介质或流体。以此方式，与夹紧式系统相比，能够将明显较大量的声能耦合到流体中，以及超声波换能器能够与测量管声学地脱耦，因此提高了所需信号（传播到流体中的声音）和干扰信号（传播到周围测量管中的声音）的比率。此外，以此方式，尽管声音测量路径关于主流动倾斜地延伸，但是能够实现垂直于介质接触壁延伸的入耦合的声音，这使得实际测量效果独立于声速的变化。

对于超声波换能器的流体接触安装，需要测量管中的横向开口。超声波换能器被这样固定，使得在所有操作条件下都能确保测量管的密封。为了最大化所需信号与干扰信号的比率，通常使用下列超声波换能器布置，在该情况下，超声波换能器在直视线中彼此相对布置。作为其替换方式，已知下列布置，在该情况下，声音通过在测量管内壁上的多次反射从发射器前行至接收器。

对于通常在管内应用的超声波测量方法、基于行进时间差或相位差或频率差的超声波流量测量装置，必须不将超声波换能器在其上彼此相对的轴布置成垂直于测量管轴，以便实现期望的测量效果。此外，如果期望流动尽可能少受干扰地流经超声波流量测量装置，同样排除的是平行于测量管轴的超声波换能器布置，因为在该情况下，被引入测量管内的超声波换能器或反射器将位于流动中。

由于这些限制，对超声波流量测量装置导致下列超声波换能器布置，其通常相对于测量管轴倾斜，其结合期望的介质接触导致通过测量管横向延伸的孔洞，然后从外部将超声波换能器插入该孔洞。如果超声波换能器不凸出到流量中，例如，为了流量损失最小化和保护单元不受磨蚀或损伤，就在超声波换能器和流经的测量管的圆柱形表面（本文随后称为测量管边界表面）之间产生充满流体的中空空间。

尤其根据雷诺（Re）数，能够在这些中空空间中存在不同流动状态。这些流动状态受测量管边界表面和超声波换能器孔洞中空空间中的流量体积之间的相互作用决定性地影响。在中空空间中出现沿声音测量路径方向的速度分量的情况下，这些分量叠加在实际测量变量上，即在声音测量路径方向的主流动的速度分量上。以此方式，分别取决于超声波换能器孔洞直径和测量管内径的比率、超声波换能器中空空间长度和测量路径总长度的比率，能够产生若干百分点数量级的相当大的测量误差。

一种修正该测量误差的方法在于，确定正确的Re数，并且于是在信号处理过程中执行目标测量误差修正。在US5987997中描述了一种方法，其关注测量值偏移的这样的随后修正。在此，其基于速度比，或速度差而提供以确定沿至少两条互相不同的测量路径的流动流体的Re数。然而，该解决方案仅能有限地应用，这是因为，至少对于Re<1000（=层流流动剖面），速度比不再变化，并且于是不再可能唯一地确定Re数。同样地，对于Re>3000，该确定不是始终明确的。此外，在该形式的测量误差修正情况下，能够涉及相当多的另外测量值偏移：在扰流，例如在管道弯头或阀门后的情况下，出现具有在管内的不同测量路径之间的速度比的流态，将信号处理解释成特定Re数的超声波流量测量装置中使得相应的修正系数得以应用。然而，通过在测量横截面中的平均流速形成的“实”Re数能够明显不同。因而，应用的修正系数不再适合当前流态，所以出现另外的测量误差。