[发明专利]用于测量流体的流速的超声波测量装置和方法

说明书

提供了一种具有两个测量系统(12a‑b)用于测量管道(22)中流体(24)的流速的超声波测量装置(10)，该两个测量系统各自具有至少一对在彼此间延伸测量路径(18a_1..4、18b_1..4)的超声波转换器(14a_1…4、16a_1…4、14b_1…4、16b_1…4)以及控制单元(20a‑b)，以测定顺流和逆流发射和接收的超声波的传播时间。为此，控制单元(20a‑b)各自被设置用于，彼此单独且独立地根据规定确定在测量路径(18a_1..4、18b_1..4)上进行传播时间测定的测量时间点，该规定会导致测量时间点在两个测量系统(12a‑b)中的顺序各自不同。

本发明涉及用于测量管道中流体的流速的超声波测量装置和方法。

管道和通道中的流速可借助超声波测量技术根据差分传播时间法(Differenzlaufzeitverfahren)来确定。重要的且要求高的应用领域是用于天然气管线的气量计在这里由于输送的气体量巨大以及原料价值，故测量精度中最微小的偏差就对应于显著可观的经济价值。

图5中示出了一种已知的测量原理。作为传统的测量装置110的主要组成部分，两个超声波转换器118、120以某一角度布置在管道112的壁中，在该管道中流体114在箭头方向116流动。超声波脉冲在超声波转换器118、120之间的测量路径上横向于流体的流动进行发射和接收，其中超声波转换器118、120相互交替地充当发射器和接收器。通过流体输送的超声波信号在流动方向上加强并在与流动方向相反的方向减弱。将得到的传播时间差用几何量换算成流体的平均流速。借助横截面面积从中得出工作体积流量，该工作体积流量例如在根据体积收费的流体中是感兴趣的测量值。几何关系通过以下变量来计算：

v：流体在管道中的流速

L：两个超声波转换器之间的测量路径的长度

α：超声波转换器进行发射和接收所在的角度

Q：体积流量

D：管道的直径

t_v：超声波顺流的传播时间

t_r：超声波逆流的传播时间

由此得出关于所需的量v和Q的以下关系：

v＝L/(2cosα)(1/t_v-1/t_r)和

Q＝v 1/4D²π。

因此，通过这种方式来确定测量路径的位置上的局部平均流速。但只有在均匀流动时才能得出准确的测量值。因此，对于要求高的应用来说，多个测量路径几何分布在管道的横截面上。然后通过将各个测量路径的测量值加权相加来确定整个横截面表面上的平均流速的更准确的值。标准ISO17089-1中介绍了一系列测量路径配置或测量路径布局。

由多个各自具有一个或多个测量路径的子系统构成的超声波测量装置是已知的。这降低了各个子系统中的复杂性，并提供了冗余。但它可能会引起信号干扰，该信号干扰会妨碍接收的超声波信号的质量。

这样的测量装置从EP 2 310 808 B1中已知。该装置包括多个转换器对，其分成两组由各自的控制电子设备操作。在这种情况下，两个控制电子设备相互通信地耦合并协调其转换器对的活动，使得这两个子系统从不同时激活，从而排除超声波测量在各自测量路径上的相互干扰。

虽然该通信和同步解决了信号干扰的问题，但会导致总是只有一个子系统能测量。为此得出严格按照顺序的、每个子系统仅使用一半的测量时间的操作模式。另外，系统的冗余丢失，因为当子系统中出现故障或其他错误时，随着通信或同步的丢失还会缺少必要的协调，为此功能会成问题。