用於夾緊式換能器、具有正方形或矩形橫截面的短管部件以及流量測量的方法
2023-11-04 16:35:52 2
專利名稱：用於夾緊式換能器、具有正方形或矩形橫截面的短管部件以及流量測量的方法
技術領域：
本發明涉及流量測量裝置及其方法，尤其涉及使用超聲波的能量來確定流量的流量測量裝置及其方法。
已知有使用超聲波換能器，尤其是多種夾緊式非幹涉型換能器的流量表。例如，紐約豪帕爾傑(Hauppauge)的Controlotron公司製造的流量表，該流量表具有夾緊在管線的管道上、用於非幹涉地確定管線內的流量的換能器。根據這些類型的流量表，超聲波換能器固定在管壁上，超聲波信號發射至管壁內，進入液體，並經過在管道內流動的液體。然後，斜射地對著管道發射聲波通過管道內的液體，利用聲波能量的上遊通過時間和下遊通過時間的時間差來根據已知的原理確定流速。例如，請參閱美國專利第4,232,548和5,453,944號。尤其，流速是由下列方程來確定的VF＝KΔt/TL，式中VF為流速，K為以容積/時間為單元的尺寸校準(calibration)係數，Δt為所測的上遊通過時間減去下遊通過時間的時間差，以及TL為所測的平均的上遊通過時間和下遊通過時間。
這種換能器可為如美國專利第3,987,674號中所公開的寬射線通道類型。通過適當選擇相對於管道軸線的換能器安裝角度以及適當選擇換能器殼體的材料，寬射線換能器與管道的共振頻率及相位速度相匹配。從根本上而言，它需要選擇角度及製成換能器殼體的材料，這種換能器殼體所具有的縱向波型(mode)聲波速度小於管道或者導管材料的剪切波型速度。這些選擇是必要的，以便可以調節換能器殼體內聲波能量的相位速度，以使該速度與管道的剪切波型速度相匹配。
正如本技術領域中眾所周知的，可將換能器安裝在管壁的相對部分上，或者通過利用來自於相對壁部分的反射，還可將他們安裝在管道的同一側上。
已知當液體流過管道時，雷諾數NR影響液體流過管道時的輪廓。該輪廓是指通過管道橫截面積的速度矢量的輪廓。已知在穩定的狀態情況下，管道中心的速度一般大於管壁附近的速度。另外還已知的是，雷諾數越大，則流動輪廓越平整。諸如管道直徑、粘度以及流量之類的所有因素都影響雷諾數NR的確定。
雷諾數也決定著層流向湍流的轉變。通常，這轉變一般發生在雷諾數為2000至4000之間。
穩定狀態的流動輪廓的問題在於，體積流量的確定並不是與雷諾數無關的。由於流量取決於雷諾數，因此除非利用為本技術領域中的熟練人員所知的高斯求積分的弦求和技術，否則很難獲得正確的流量。為了精確地確定流量，使用高斯求積分的弦求和技術是很有用的，這是由於此技術可使流量的確定相對不依賴於雷諾數。
當液體流動呈現一種非平整的流動輪廓時，一般採用高斯求積分的弦求和來確定其流量。當存在著非平整的流動輪廓時，可以採用該技術，以便在超聲波流動測量換能器輸出的基礎上確定其真正的流量。當流動輪廓呈現平整狀態時，則不需要採用該技術。為了精確地確定流量，最好管道內的整個流體可由超聲波能量來透射。倘若採用多個換能器來透射流體，則必須將來自於多個換能器的結果適當相加。假定被用來確定流量的超聲波換能器完全透射管道內的流動輪廓，當流動輪廓呈非平整狀態時，則可以採用高斯求積分的弦求和技術來確定其正確的流量。由於要在圓形管道內建立弦透射需要將換能器插入至液流內，從而引起不等的弦長度以及不等的檢測容量，因此需要高斯求積分的弦求和技術。倘若流動輪廓幾乎是平整的，則高斯求積分的弦求和技術就不是很必要的了，但如果仍應用該求和技術的話，則將補償輪廓的形狀。另外，通過簡單地對由換能器所透射的若干平行路徑簡單地取平均值可以獲得流量，但是這僅僅適用於長度及容量都相等的路徑。
使用高斯求積分的弦求和技術是有些複雜，它需要單獨處理每一路徑的數據，而不依靠該技術，有利於精確地確定流量。
現有技術中超聲波流量表的另一個問題在於，接收換能器上接收到了不想要的管道「幹擾」信號，該幹擾信號沒有穿過管道內的液體，卻通過管壁傳播到了接收換能器。雖然可以消除這些不想要的管道幹擾信號的一部分，但是倘若它們的到達與液態信號的到達存在著一個時間差，或是不同步的話，則由於幹擾信號可能與穿過管道內液體的接收信號在大約相同的時間發生，因此有些幹擾信號是無法消除的，於是導致所需的接收信號的不可靠，和可能不準確地確定時間，從而造成不正確的流量。
本發明涉及一種用於使夾緊式超聲波換能器能夠精確地確定一管道內的體積流量的技術與裝置。
此外，本發明涉及一種與雷諾數無關，而不用高斯求積分的弦求和來確定流量的技術與裝置。
本發明提供了一種用於插入至一管道內的短管部件，該短管部件大大地平整了管道內液體的流動輪廓，以便在不需要高斯求積分的弦求和或者其它的流動輪廓補償技術的情況下，超聲波換能器可以精確地測量流量。
本發明還提供了一種裝置與技術，從而超聲波夾緊式換能器可完全透射流動區域，另外，提供了一種裝置與技術，從而夾緊式換能器可替換地安裝在管道上，以產生若干超聲波能量的平行射線，以便以一種方式來透射管道內的流體，這種方式能夠進行平行求和，而不必進行各個路徑的高斯弦求和。
本發明還能消除不需要的幹擾信號，該幹擾信號通常穿過管壁傳播，並且會使穿過管道內液體傳播的所需的接收信號不可靠。
本發明還能通過相關的技術精確地校準管道內的流量表以及能夠確定流量。
一方面，本發明包括用於插入到一適於安裝一超聲波流量測量換能器的管道內的裝置，該裝置包括兩個適於連接至一管道內的連接件；一連接在兩連接件之間的中心件，兩連接件具有其中用於液體流過管道的中心開口，該中心件是空心的，用於使來自該管道的液體流動通過，並通過連接件內的開口與管道相通，該中心件具有至少兩個大致平坦的相對部分的橫截面；該中心件具有一大致平坦的外表面，該外表面適於在其上安裝至少一對超聲波發射及接收流量測量換能器。
該中心件最好具有大致呈正方形或矩形的橫截面，雖然它只需要聲波能量撞擊到的兩個相對部分是大致平坦的。
另一方面，本發明包括一種用於確定管道內液體的體積流量的方法，包括以下步驟將一部件連接至一管道內，該管道具有一空心件，該空心件用於使來自管道的液體流動通過，並與管道相通，該空心件具有有著至少兩個大致平坦的相對部分的橫截面，將至少一對超聲波發送及接收流量測量換能器安裝在該空心件的大致平坦外表面上，用這對發送及接收換能器的聲波能量透射流動在空心件內的液體，並在來自於定時詢查(polling)至少一對發送及接收換能器的數據的基礎上計算體積流量。
再一方面，本發明包括一種用於平整一管道內液體的流動輪廓的方法，包括以下步驟將一部件連接至管道內，該管道具有一空心件，該空心件用於使來自管道的液體流動通過，並與管道相通，該空心件具有有著至少兩個大致平坦的相對部分的橫截面。
又一方面，本發明包括一種用於減小通過超聲波流量測量裝置內的管壁傳播的不想要的聲波信號，包括以下步驟將一部件連接至管道內，該管道具有一空心件，該空心件用於使來自管道的液體流動通過，並與管道相通，該空心件具有有著大致正方形拐角的橫截面。
以上所描述的也是一種用於衰減在管壁內傳播的不想要的幹擾信號的方法與裝置，以及一種用於校準流量測量系統的方法。
通過參閱附圖並結合下文的詳細描述，本發明的其它特點及優點將變得一目了然。
參閱附圖結合下面詳細的敘述來更詳盡地描述本發明，其中
圖1是用於插入到管道內的本發明裝置的一個實施例的立體圖；圖2是圖1所示裝置的局部縱截面的側視圖；圖2A是沿著圖2的線2A-2A所視的端視立體圖；圖2B是沿著圖2的線2B-2B所視的端視立體圖；圖2C是沿著圖2的線2A-2A所視的端視平面圖；圖2D是沿著圖2的線2B-2B所視的端視平面圖；圖2E是本發明裝置的凸緣的側向截面圖；圖3是有利於說明本裝置操作的圖2所示裝置的端視圖；圖4是圖1所示典型裝置的俯視圖；圖5是本發明裝置如何通過平整流動輪廓來進行操作的示意圖；圖6是本發明裝置的側視圖，示出了該裝置內用於協助確保該裝置中的流動輪廓基本平整的結構；圖7是沿著圖6的線7-7所視的橫截面圖，示出了用於通過增加動量混和以引起液體漩渦的所增加的流動輪廓平整裝置；圖8是用於解釋本發明是如何減小「管道幹擾」的、表示傳送與接收信號的時序圖；圖9A至圖9D是本發明裝置其它的橫截面例子；圖10是本發明裝置包括一種用於衰減管道幹擾的結構的側視示意圖；圖11是圖10所示衰減結構的立體圖；圖11A是另一種衰減結構的立體圖；圖12是通過本發明較佳實施例的橫截面圖；圖13是圖12所示較佳實施例的俯視圖；圖14是通過本發明較佳實施例的一種變化型式的橫截面；圖15是通過本發明較佳實施例的另一種變化型式的橫截面；圖16是本發明換能器的側視圖，表示了一種迷宮式(labyrinth)結構，這種迷宮式結構有利於阻尼並衰減由換能器的晶體所產生的超聲波信號的內部反射；圖17是圖16所示的換能器的一個實施例的簡化立體圖；以及圖18所示為換能器結構的另一個實施例。
現在請參閱附圖，圖1是本發明裝置的一較佳實施例的立體圖。本發明裝置包括一用於插入到管道內的「短管」部件10，供安裝各種夾緊式超聲波換能器之用，該換能器由標號20來表示，特別是美國專利第3,987,674號中描述的寬射線(beam)換能器。該短管部件包括用於與管道相連的第一和第二連接件，例如，凸緣30和40，每一凸緣具有用於將其連接至管道的固定件，如圖所示為螺釘孔42。凸緣30和40分別包括用於使管道內的液體流過的開口36和46。這些開口在外部凸緣表面37、47上的大小最好和短管部件10插入的管道的直徑一樣大小。
另外，可以不採用通過螺釘來進行安裝的凸緣30和40，取而代之的是將本發明的短管部件10焊接至管道，並具有適當的焊接連接件。
兩個凸緣或者焊接連接件30和40通過一部件50連接在一起，該部件50最好具有正方形或者矩形的橫截面。此橫截面在其拐角上最好是漸進地呈圓形。另外，除了正方形或矩形的橫截面之外，部件50也可具有其它形狀的橫截面，只要位於來自於換能器的超聲波信號的射線上的相對部分基本平坦即可。例如，可以採用梯形或多邊形的橫截面。圖9A至圖9D所示為適合的橫截面例子。
在每一連接至部件50的連接件30、40的內表面39、49上，開口36、46具有部件50的形狀(例如，正方形或矩形)，該部件50的形狀具有小於管道的淨(net)區域，名義上為內切在圓內的正方形面積與圓形面積之比。參見圖2C。
凸緣30、40最好在側邊39、49上具有凹槽31、41，側邊39、49具有部件50的橫截面，以便部件50可以容納在凹槽內。然後，部件50最好焊接至部件30、40。
開口36、46最好呈似截頭圓錐形(如圖2A所示)，逐漸縮小成為部件50的橫截面的正方形或矩形開口(如圖2B所示)。因此，通過將短管部件連接至管道內，液體從具有基本呈圓形的橫截面的管道流至具有較佳的矩形或正方形橫截面的部件50內。正如下文將要描述的，從圓形橫截面至部件50的較小淨面積的矩形或正方形橫截面會平整流動輪廓。此外，可以提供一種漩渦發生裝置，以便有助於流動輪廓的平整，這在下文將描述。
如圖13和圖2A-2E所示，連接件30、40中的開口36、46至少呈部分的錐形，從管道的圓形橫截面過渡至部件50的較小淨面積的較佳正方形或矩形橫截面。這個過渡區也有助於減小液體壓力的下降。實質上，在所示的實施例中，流動在一個連接件30、40中的液體從圓錐形開口過渡至位於錐形的軸線中心上的正方形或矩形開口，對於相對的連接件而言則反之。
如圖1和圖2所示，超聲波換能器晶體20可安裝在換能器塊51上，換能器塊51安裝至部件50的平坦表面52。如圖3所示，這便於允許聲波能量基本通過部件50中的整個流體進行完全透射。如圖1-3所示，安裝有三對超聲波換能器晶體，這三對晶體提供三條具有大致相等液量的射線、用於大致完全透射位於部件50中的流體的相等平行的射線60A、60B和60C。另外，可採用一連續的換能器晶體。三條平行射線60A、60B和60C由圖3所示的交替的斜線陰影面積來表示。雖然圖中所示為三對換能器晶體，但也可採用一對或不同對數的換能器。
倘若整個流動輪廓大致由聲波能量來透射，並且透射量相等，於是可以將來自於各對換能器的單獨流量測量結果加起來以確定流速。另外，倘若採用一單個晶體，則可使用所產生的平均接收信號。於是，有必要採用補償(compensate)技術以補償流動輪廓。
相反，在具有圓形管道橫截面的情況下，要獲得透射等量的射線是很困難的。不能將來自於各換能器的流量測量結果簡單相加，並有必要藉助於更為複雜的高斯求積分的求和技術。
如圖2所示，一對換能器的每一個換能器20以基本斜線21的形式透射部分的流體，從而向此對換能器的另一個換能器提供反射，以便確定通過時間。正如那些本技術領域中的熟練人員所知的那樣，當不利用來自於相對側壁的反射時，接收換能器也可安裝在相對側壁上。換能器應該為申請人的美國專利3,987,674中所描述的那樣為寬射線型式。
如圖5所示，本發明的短管部件10平整流速或流動輪廓，從而能夠精確地確定體積流量，而無需高斯求積分的弦求和。如圖所示，在一種典型的圓形橫截面管道的情況下，來自於蓄液池70的液體將流入管道80，最終形成由曲線90所表示的流動輪廓。這是眾所周知的規律，是由那些本技術領域中的熟練人員所知的因素所導致的，包括例如，由管壁所引起的摩擦力。實質上，這種流動輪廓是位於管道中心上的流速大於管壁附近的流速。
這種流動輪廓在確定實際的體積流量中引起了問題。倘若完全透射管道，即，提供足夠的換能器，以便超聲波能量能夠完全透射流體，並且該流體呈現非平坦的流動輪廓，倘若弦是不等長且不等量-呈現一圓形管道，可以使用高斯求積分的弦求和來獲得精確的流量測量結果。一般，流動輪廓是不平坦的。只有當流動輪廓是平坦或者接近於平坦的時候，才不需要高斯求積分的弦求和。高斯求積分的弦求和技術對於那些本技術領域中的熟練人員而言是熟知的。本發明甚至是在流動輪廓為非平坦的情況下提供了一種減小或者消除應用高斯求積分的弦求和的必要性的裝置。
在不實際穿透管道的情況下，為了完全透射管道內的流體，要在一圓形橫截面管道上使用超聲波夾緊式換能器是很困難的，這是由於管道的圓形橫截面的緣故，要提供完全平行的超聲波能量路徑是很困難的。因此，為了精確地確定流量，有必要用聲波能量的平行路徑來完全透射管道。
本發明提供了一種用於精確確定體積流量的簡易裝置。本發明提供了一種便利裝置，以便安裝用於全部或部分(弦的)透射管道流體的聲波換能器。例如，如圖所示，採用了三對換能器來完全透射管道流體。由於部件50具有平坦的表面，如表面52，所以安裝此三對換能器是極其簡單的。部件50的平坦表面52可使換能器安裝其上，以便用平行射線路徑完全透射流體的橫截面。此外，從圓形橫截面過渡至正方形或矩形橫截面大大地平整了流動輪廓，如圖5所示。結果，由於流動輪廓基本平坦，所以一般不再需要應用高斯求積分的弦求和技術，而是採用來自於若干個一起完全透射管道橫截面的超聲波換能器的信號，確定正確的體積流量。由於流動輪廓基本平坦，所以也不再需要提供非線性流動輪廓的補償技術，如在通常的圓形管道內那樣。
雖然本發明大大地平整了流動輪廓，如圖5所示，還可以增加輔助流動輪廓平整裝置，例如，圖6所示的弧形凹槽或槽溝100，圖7所示為其平面圖，該弧形凹槽或槽溝通過在液流中形成漩渦來協助平整流動輪廓。這些流動輪廓平整裝置確保了短管部件內的流動輪廓更加平整。連接件30、40的錐形至正方形或矩形的過渡促進漩渦的形成，於是提高了流動輪廓的平整。尤其，形成在正方形或矩形橫截面與錐形相交的位置上產生的過渡凸緣30、40的漸進弄圓的正方形拐角33、43，當液體通過錐形表面流動至拐角33、43時液體自身會產生漩渦並與流入的液體的動量混和以形成平坦的輪廓。
因此，本發明提供了一種平整流動輪廓的途徑。它可在不採用高斯求積分的弦求和以及流動輪廓補償技術的情況下確定流量。此外，矩形或正方形橫截面的部件50的平坦表面提供了一種用於安裝超聲波夾緊式換能器的便利裝置，該換能器可用平行路徑聲波射線來完全透射位於短管部件內的流動輪廓，從而可以精確的確定流量。
此外，由於部件50的平坦外表面的緣故，本發明還提供了一種用於夾緊超聲波換能器的便利裝置。
如所述的那樣，由於位於本發明短管部件10內的流動輪廓基本平坦，因此減小或消除了應用高斯求積分的弦求和的需要，並減小了對流動輪廓補償技術的需要。為確保流動輪廓基本平坦，可以採用如圖6與圖7所示的輔助流動輪廓平整結構，於是確保了流動輪廓基本平坦，並可在不需要通常所需的高斯求積分的弦求和的情況下精確地確定流量。
在使用中，至少有一對換能器安裝在本發明短管部件10的表面52上，以便完全透射部件10內的流體。如本技術領域中所知的，定時詢查每一個超聲波換能器，以便確定上遊/下遊通過時間差和平均通過時間，用於確定流量。正如本技術領域中的熟練人員所已知的，可以通過一多路流量表來單獨測量每一換能器的輸出。另外，可以使用單個的通道流量表，並與此同時定時詢查多個換能器。然後，簡單地進行平行換能器求和，以便精確地確定總流量。
由於位於部件50內的液流的流動輪廓基本平坦，所以不再需要本技術領域中熟練人員所熟知的高斯求積分的弦求和來確定體積流量。由於位於本發明短管部件內的液體的流動輪廓基本平坦，所以也不再需要流體補償技術。然而，倘若流動輪廓有些不平坦的話，則仍可使用高斯求積分的弦求和以及流動輪廓補償技術。
圖8有利於說明本發明的其它優點。當發送(transmit)脈衝TX由發送換能器20發送時，橫穿管道內液體的接收信號TRL在一段時間之後在接收換能器20上被接收。這是用來確定通過時間的信號。然而，接收換能器還接收某種不希望有的聲波幹擾信號，該幹擾信號不是橫穿液體，而是通過管壁傳播。第一個「管道幹擾」信號為TRPN1，該信號從發送換能器直接通過管壁傳播至接收換能器。如圖8所示，由於一般在TRL之前接收該信號，所以可以忽略並然後消除它。然而，另一個管壁幹擾信號TRPN2繞著圓形的管壁圓周螺旋形地傳播。在接近或者在接收換能器接收所要信號TRL的時間內可能接收該信號。這在圖8中示意出。在圖8中可以看到，TRPN2在TRL之前被接收。然而，該信號也可在接收TRL的同時接收，並隱匿在TRL之中。這個不希望有的信號會引起TRL的不可靠以及錯誤地確定TRL的到達時間，於是導致錯誤地計算通過時間，並引起錯誤的液體流速。它還會導致測量結果的偏移(drift)。
根據本發明，因為部件50的橫截面不是圓形的，由於在正方形或矩形部件50的拐角上可以基本停止或者減小幹擾信號TRPN2以螺旋形路徑傳播，所以可以基本消除該信號。
圖10、圖11和圖11A所示為另一種用於衰減管道幹擾信號的結構。一衰減裝置53與部件50相連。衰減裝置53衰減了通過管道材料傳播的任何管道幹擾信號。圖11所示為衰減裝置53的一個實施例。如圖所示，該裝置包括一金屬結構53A，該金屬結構安裝在安裝塊53B上。金屬結構53A與安裝塊53B最好是由一種類似於部件50的金屬來製成的。然而，它們可以是不同的金屬，或者諸如適當的塑料之類不同的材料。部件53A可包括許多的孔53C，這些孔是適當地鑽孔或者鏜孔至部件53A內的。這些孔充滿著一種粘滯衰減材料，例如，一種粘滯液體或者諸如膠、焦油、或者一種例如克萊託克斯(Krytox)的吸聲油脂(acousticgrease)之類的半液體。部件53的作用是吸收與反射，從而衰減從部件50傳播至部件53中任何幹擾信號。於是，孔53內的吸聲衰減材料作為聲波迷宮協助減小接收換能器上接收的幹擾信號的幅值。
圖11A所示為另一種結構。在這種結構中，聲波迷宮由許多的槽53D產生，在這些槽內放置著一種吸聲和/或反射聲音的材料。結果形成了一種反射迷宮，以便反射進入槽53D之間的空間內的聲能被多次反射離開這些槽，每一次都衰減這個信號。
根據本發明，該換能器最好是美國專利第3,987,674號中所描述的寬射線類型的反射器。為了取得本發明短管部件完全的優點，尤其為減小聲波傳播速度測量結果中的第二數量級誤差，最好採用在待審查專利申請號第(203-55)號中的題為「利用相位相關確定出現在液體中的超聲波脈衝的方法與設備」中所描述的相關技術。
除了上述優點之外，所描述的管道短管部件具有一附加的優點。由於具有機會將流量測量超聲波換能器安裝在本發明的夾緊式短管組件上，並將該組件在校準試驗室中進行有效的流體測試，因此可以確定在各種流動速率下的輸出的校準係數，用於安裝在該領域內的流量測量系統。由Controlotron公司製造的流量測量系統具有一多點校準性能。這意味著在各種流量的情況下，可以確定不同的校準係數，用以計算可能發生在測試儀器的任何部分上的非線性。在測量的校準係數的基礎上可以在流量測量系統內建立和儲存一個建立起來的文件。這個建立的文件也可裝到一儲存媒體上，例如一磁碟上，該磁碟可隨機器運輸，以便用戶可將數據裝到任何的流量計算機內，該流量計算機與短管部件一起校準。
另外，可將流量計算機與其中的數據一起提供給用戶，這些數據是與本發明短管部件相連的流量管結合在一起的。在這種方式中，每一用戶獲得具有校準檢驗證(certificate)的流量表。由於機器將通過變化的測量的聲波傳播速度來識別許多液體，因此校準即使對於不同的液體都能維持精確性。校準與雷諾數相關，而不與速度相關。因此，即使當液體變化時，機器將自動維持其校準，並且每一機器提供一校準鑑定。這對於那些需要校準鑑定的某些工業中的用戶而言是很有用的。由於在該領域內，校準不是由製造商來控制的，所以不可能具有一種安裝在該領域內的一夾緊式系統。例如，不能確保用戶送入正確的參數，但是在夾緊式短管部件或者流量管的情況下，可以控制所有的因素，因此，製造商能夠在使用具有上述短管部件的系統的結果的基礎上證明流量測量系統的校準。
通過以已知的流量將已知的容積或質量流過本發明組件可以校準每一流量測量系統。測量的流量可與已知的流量以及對於各種所獲的流量的校準係數相比較。於是，可向每一流量測量系統提供校準檢驗證，該校準檢驗證與本發明的短管部件一起提供給用戶。
圖12-15所示為本發明各種形式的較佳實施例。雖然上述實施例體現了本發明平整流動輪廓的原理，但已發現，由於本發明短管部件的矩形或正方形橫截面，所以需要加固矩形或正方形橫截面結構，以便經得住可能遇到的典型液體運載管道內的壓力。尤其，由於正方形或矩形橫截面，短管部件會受到通常在圓形橫截面的管道內不會遇到的應力。在一般的圓形橫截面的管道中，所有的應力往往是拉伸應力。相反，正方形或矩形橫截面的部件內受到流動液體的內部壓力，該應力往往會引起其平坦表面彎曲或者變形。因為距離和流動路徑根據壓力而變化，所以對於精確地確定流量測量結果產生了有害的影響。解決該問題的方法是使平坦表面的橫截面更厚些，但是這樣做又存在著一個缺點，即增加了通過管道而不是液體進行直接傳播的幹擾量。由於在較厚的橫截面部件內不能很好地衰減幹擾信號，因此這在確定接收的液體信號的到達時間上又引起了問題。此外，較厚的橫截面衰減了傳播至液體內的超聲波信號。
因此，僅僅簡單地使短管部件的橫截面厚度變厚並不能提供一個適當的解決方法。
根據本發明，解決這個問題的方法是在短管部件的平坦表面上提供一切口或一軌道或若干個開口或軌道，在其中可以安裝發送換能器和接收換能器。尤其，可提供內裝若干個換能器的多個軌道。
現在請參閱圖12和13，圖中所示為本發明的一個較佳實施例，其中採用了三對超聲波發送以及接收換能器。本發明可具有任何數目的反射器對。參閱圖12和13，具有矩形或正方形橫截面的短管部件包括四個焊接在一起的部件100、102、104和106。部件106在短管部件的一端上容納若干個換能器108A、108B和108C，而在短管部件的另一端上則容納換能器108A』、108B』和108C』。短管部件的部件106具有若干個軌道，例如，機械加工在表面上而成的，每一軌道用於容納每一個換能器108A、108B和108C以及108A』、108B』和108C』。軌道由110A、110B、110C、110A』、110B』和110C』來表示。圖12是沿著圖13的線12-12剖切的剖視圖。
每一換能器108A、108B和108C以及另一側上相應的換能器安裝在它們各自的軌道內，最好可以沿著軌道在圖中所示的箭頭方向上移動至多個位置中提供最佳性能的一個位置上。由於部件106已被這些軌道110A、110B和110C以及110A』、110B』和110C』弄薄，於是，由於由這些軌道引起的局部削弱而在短管部件中所引起的壓力，部件106將趨於向上彎曲，於是在部件106的上方提供的一結構可以防止部件106變形。這種裝置包括至少一個垂直延伸件112，該垂直延伸件與部件106最好是焊接相連。部件100、102、104及106也最好通過適當的焊接技術連接在一起。垂直延伸件112固定在部件114上，部件114與部件106基本平行，並通過適當的方式固定在每一部件112上，例如通過焊接或者如圖所示的螺釘來進行固定。如圖13所示，部件112可包括多個固定孔116，提供這些固定孔是為了能夠通過螺釘118在適當的位置上將部件114固定在部件112上，這些適當的位置是由換能器108A、108B和108C的安裝來決定的，短管部件的另一端上的情況與此相似。每一換能器108A、108B和108C以及短管部件另一端上的換能器通過適當的固定裝置保持、固定在適當位置上，例如，該固定裝置可以是緊固螺釘120，該緊固螺釘可向下擰緊在各個換能器的保護表面上，以便使其保持在適當位置上。
本發明的結構的作用在於防止部件106變形或者彎曲。事實上，部件112和114提供了一種I-橫梁類型的結構，這種結構可以防止部件106因短管部件內的內部壓力而變形。如圖13所示，部件112僅僅需要沿著軌道110A、110B和110C延伸，短管部件的另一端上的情況與此相似。部件114可覆蓋換能器上的局部區域。另外，部件114可做得比圖中所示的那樣更寬些，以便它可以基本覆蓋垂直延伸件112的整個長度。
圖14所示為本發明只有一對反射器的實施例。如圖所示，部件112沿著軌道110延伸，換能器108安裝在軌道110內。部件114固定在部件112上，以便適當加固部件106。
圖15所示為本發明使用兩個反射器108的另一個實施例。一單個部件112安裝在反射器108之間，並固定在一平行部件114上。如圖12、14和15所示，可提供一包括部件122、123和124的適當外殼121，以便覆蓋換能器以及用於部件106的支撐結構。
圖16和圖17所示為本發明換能器的一種實施例，它可以減小並吸收縱向的內部反射以及由安裝在晶體外殼202內的反射器晶體200所產生的波型轉換的剪切超聲波信號。晶體200安裝在換能器塊204上。換能器塊204具有斜面206，晶體200安裝在該斜面206上。該表面以一適當的角度設置，以便超聲波信號能以該適當的角度(對於95000in/sec.的縱向聲波傳播速度一般為59°左右)發送至管壁內，換能器即以該適當的角度安裝。沿著換能器塊204的頂部表面提供有許多的槽208。參閱圖17。在這些槽內裝有一種粘滯及超聲波能量反射/吸收材料，諸如焦油、膠或者塑料，這種材料適用於聲音的吸收和/或聲音的反射。如圖17所示，圖中所示為圖16所示的換能器的立體圖，不論是縱向波型信號還是剪切波型轉換的超聲波信號的換能器塊/管壁交界面的反射，如圖所示都是通過箭頭210(縱向波型反射)和212(剪切波型反射)進入到由槽208所構成的迷宮中去的。如圖所示，信號是通過容納在槽208內產生多次反射、在每一反射上發生更大的衰減的聲音吸收/反射材料來進行反射的。任何逃出迷宮的信號基本被衰減，以便當該信號重新進入管道時，該信號將具有最小的影響。因此，由反射的超聲波信號所引起的幹擾信號在由接收換能器接收的信號上將具有極小的影響。
圖18所示為另一種實施例，其中槽208A不是從換能器塊204的一橫向側邊跨至另一側邊。由於粘滯材料，尤其倘若它是一種可流動的粘滯材料的緣故，這是較佳的設置，因為這樣可以防止該粘滯材料從位於兩側邊上的槽208A漏出。然而，該槽208A比圖16和圖17所示的從一側邊跨至另一側邊的槽208需要花費更多的機械加工過程。在圖16和圖17所示的設置中，其中槽是從一側邊跨至另一側邊，倘若槽208內的粘滯材料是可流動的，則需要提供一適當的橫向壁來封閉位於兩側邊上的槽208。在兩個實施例的任何一個實施例中，可提供一適當的覆蓋部件214，可將緊固螺釘120安裝其上。
根據本發明，如圖12-15所示，最好提供多對換能器。由於通過用於部件106的支撐結構所提供的準確性，每一對換能器在一完全相同的路徑長度發送超聲波信號。另外，只需要電並聯連接換能器。在這種方式中，由於每一換能器在由精確相同的弦所構成的橫截面內透射流體，所以可以採用普通的弦求和方式，而不採用較為複雜的高斯弦求和方式，高斯弦求和方式只有在路徑長度不相等，而且弦的尺寸不同，例如在圓形的管道內時方需使用。
根據本發明，還最好將換能器對放置在管道的同一側，從而可以利用來自於管道另一側的反射。這樣做的原因在於，路徑的數目可有效地為換能器對數目的兩倍，即，每一路徑包括一反射迴路。在這種方式中，系統固有地校正流動路徑的非直線性。
根據本發明，可開發用於不同尺寸的管道的多個短管部件，例如，用於其直徑從2英寸至24英寸的管道。可開發具有不同長度以及適合用於這個範圍之內各種管道直徑的不同的短管部件。管道直徑越大，則一般所需的換能器的數目越多。例如，對於一具有2.375英寸外徑的2英寸管道而言，一對換能器是比較適合的。對於較大的管道，例如，一具有8.625英寸外徑的8英寸管道，可能需要配備三對換能器。對於更大的管道，例如，一24英寸的管道，可以需要五對換能器。在每一種情況中，通過將換能器放置在位於短管部件的平坦表面內的凹入的軌道內不僅可以滿足聲波的要求，而且通過提供包括垂直延伸件112以及平行橫梁件114的適當結構同時滿足所需的壓力控制的要求，當必要時，取決於換能器的數目。
雖然在本發明的特殊實施例中已描述了本發明，但是許多其它的變化與修改以及其它的用途對於那些本技術領域中的熟練人員而言是一目了然的。因此，本發明不受在這裡已公開的具體內容的限制，而僅僅受到附加權項的限制。
權利要求
1.用於插入到一適於安裝一超聲波流量測量換能器的管道內的裝置，所述裝置包括兩個適於連接至一管道內的連接件；以及一連接在所述兩連接件之間的中心件，所述兩連接件具有其中用於液體流過所述管道的中心開口，所述中心件是空心的，用於使來自所述管道的液體流動通過，並通過所述連接件內的所述開口與所述管道相通，所述中心件具有至少兩個大致平坦的相對部分的橫截面；所述中心件具有一大致平坦的外表面，所述外表面適於在其上安裝至少一對超聲波發射及接收流量測量換能器。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述中心件的橫截面大致呈正方形或者矩形。
3.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，在所述中心件的每一端上還包括一過渡區，從而所述兩連接件內的所述中心開口的形狀從所述管道的圓形橫截面過渡至所述中心件的橫截面。
4.如權利要求3所述的設備，其特徵在於，每一連接件中心開口具有從所述管道的圓形橫截面過渡至所述中心件的橫截面的圓錐形形狀。
5.如權利要求3所述的設備，其特徵在於，所述中心件具有一小於接近所述管道的所述連接件的所述中心開口的橫截面積。
6.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述中心件允許至少一對超聲波發射及接收換能器安裝其上，以便用聲波能量大致完全透射流動在所述中心件內的液體。
7.如權利要求6所述的設備，其特徵在於，所述中心件上適於安裝多對超聲波發射及接收換能器，以便用多條平行的聲波能量射線完全透射流動在所述中心件內的液體。
8.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述中心件具有大致平整流過所述管道的所述液體的流動輪廓的作用。
9.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述中心件大致消除通過一圓形管道的所述管壁從一發送換能器圓形螺旋形地發射至一接收換能器的信號。
10.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，還包括一位於所述中心件的所述平坦表面上的凹槽，所述凹槽用於容納每一換能器。
11.如權利要求10所述的設備，其特徵在於，還包括一自所述中心件的所述平坦表面垂直延伸的部件，所述部件接近並平行於所述槽，用於加固所述平坦表面，以抵抗來自於流動在所述中心件內的液體的壓力。
12.如權利要求11所述的設備，其特徵在於，還包括一大致平行於所述平坦表面並與所述垂直延伸件相連的部件，用於進一步加固所述平坦表面，以防止由於流動在所述中心件內的液體的壓力而使所述平坦表面變形。
13.如權利要求12所述的設備，其特徵在於，所述垂直延伸件具有多個固定位置，用於將所述平行部件固定在其中一個與所述槽內安裝所述換能器的位置相對應的位置上。
14.如權利要求12所述的設備，其特徵在於，還包括多條槽，每一條所述槽用於相互並排地安裝的一對換能器的各個換能器，一安裝在相鄰槽之間的垂直延伸件，一安裝在所述垂直延伸件的上方、將所述垂直延伸件連接在一起的平行部件。
全文摘要
用於插入到一適於安裝一超聲波流量測量換能器的管道內的裝置,在較佳實施例中該裝置包括兩個適於連接至一管道內的凸緣,一連接在兩凸緣之間的中心件,該兩凸緣其中具有用於液體流過管道的中心開口,該中心件是空心的,用於使來自管道的液體流動通過,並通過凸緣內的開口與管道相通,該中心件具有大致呈正方形或矩形的橫截面,還具有一大致平坦的外表面,該外表面適於在其上安裝至少一對超聲波發射及接收流量測量換能器。
文檔編號G01P5/00GK1201141SQ98106180
公開日1998年12月9日 申請日期1998年3月31日 優先權日1997年6月4日
發明者道格拉斯·S·巴摩爾, 約瑟·巴摩爾 申請人:道格拉斯·S·巴摩爾, 約瑟·巴摩爾