[发明专利]超声波流量测量装置和用于确定流速的方法

说明书

本申请涉及超声波流量测量装置和用于确定流速的方法。提出了具有用于确定在管道(12)中流动的流体的流速的多个超声波换能器(16a‑16e)的超声波流量测量装置(10)，该超声波流量测量装置具有多个测量路径(18a‑18d)和评估单元，在这些测量路径上，这些超声波换能器(16a‑16e)中每两个彼此相对地布置，其中在这两个超声波换能器之间有流动且在管道(12)的纵向方向上彼此有轴向间距(Δx)，该评估单元被构造用于根据超声波信号在顺流方向上和逆流方向上沿着相应的测量路径(18a‑18d)的飞行时间差来计算出流速。在此，测量路径(18a‑18d)具有不同的轴向偏移(Δx)。

本发明涉及超声波流量测量装置和用于确定在管道中流动的流体的流速的方法。

一种经过验证的用于测量流速或流量的方法是传播时间差法。在该传播时间差法中，一对超声波换能器在纵向方向上相互偏移地安装在管道的外圆周上，它们横向于流动沿着在超声波换能器之间跨越的测量路径相互发送和记录超声波信号。穿过流体输送的超声波信号根据运行方向被流动来加速或减速。得到的飞行时间差借助几何变量计算出流体的平均流速。借助横截面积从中得出体积流量或流量。为了更精确地进行测量，也可以将多个测量路径设置成各自具有一对超声波换能器，以便更精确地获取流动横截面。

用于产生超声波所使用的超声波换能器具有振荡体，其通常是陶瓷。借助该振荡体，例如基于压电效应将电信号转换成超声波，反之亦然。根据用途，超声波换能器用作声源、声音探测器或两者兼而有之。在此，必须确保流体和超声波换能器之间的耦合。常见的解决方案是让超声波换能器伸入到管道中与流体直接接触。这种侵入式探头可能会由于流动的干扰而给精确测量造成困难。反之，浸入式超声波换能器暴露于流体及其压力和温度下，因此可能会损坏或由于沉积物而失去其功能。

原则上也已知这些内壁完全保持闭合的技术。示例是诸如根据US 4 467 659的所谓的夹合式(Clamp-On)安装，通过该夹合式安装将超声波换能器从外部固定在管道上。但是，通过这种方式，只有直径的测量路径可以通过管轴来实现，由此，在流动轮廓非轴对称的情况下会产生额外的误差。

EP 1 378 272 B1提出将产生超声波的元件安装在壁的外侧。与夹合式技术不同，在这种情况下可以说是将超声波换能器集成在壁中。在超声波换能器区域中形成具有比其余壁的壁厚小得多的凹进部，并且剩余的壁厚构成超声波换能器的薄膜(Membran)。也称之为压紧式(Clamp-In)的安装在一定程度上是管道内部空间中的固定式安装和夹合式安装的中间形式。

除了流体声之外，超声波换能器还总是产生通过管道壁传输的固体声或结构声。结构声是一种干扰变量，因为它不受流体及其流动的影响，因此不包含所期望的测量信息，并且在时间上叠加在测量信号上。在侵入式探头中，结构声可以通过构造上的阻尼结构来最小化，这些阻尼结构在声学上将超声波换能器与管道解耦。这在超声波信号通过管壁传输或者甚至有针对性地激发管壁的一部分的夹合式安装或压紧式安装中不再可能。由于结构声和流体声的频率一致，因此结构声也不能通过经典的滤波算法与流体声分离。

DE 20 2013 105 800 U1公开了具有压紧式安装的超声波换能器的超声波测量装置。为了抑制结构声的传播，在管壁中设置了具有例如焊缝形式的散射中心的阻尼范围。然而，通过这种方式，由于结构噪声引起的干扰效应最多可以减少一点，原则上问题仍然存在。

因此，本发明的任务在于改进超声波流量计的测量精度。

该任务通过用于确定在管道中流动的流体的流速的超声波流量测量装置和方法得以解决。原则上，超声波流量测量装置是多路径计数器，并且因此在多个测量路径上以传播时间差法进行测量，这些测量路径分别被两个超声波换能器跨越。测量路径的超声波换能器布置在直径或径向偏移相对的管道壁上，使得测量路径延伸穿过流体。此外，超声波换能器以轴向间距(即，在管道的纵向方向上)彼此偏移，使得测量路径的分布具有顺流分量和逆流的分量。流速根据沿多个测量路径的飞行时间差进行计算。