專利名稱：超聲波多通道流量測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超聲波流量測(cè)量技術(shù)，特別是涉及在成對(duì)的超聲波傳感器被設(shè)置在已經(jīng)布置在位的管道的情況下，用于增強(qiáng)流量或流率的測(cè)量精度的超聲波多通道流量測(cè)量方法。
一般的在管道中的超聲波流量測(cè)量方法具有以下一些共同的方面通過使用超聲波測(cè)量在流體流動(dòng)截面上的直徑線或多個(gè)弦線的流速，并用流速乘以流動(dòng)截面面積得到流量。例如，如果根據(jù)超聲波多通道流量測(cè)量方法使用超聲波在直徑線測(cè)量得到流速VD，則流量可通過下式計(jì)算Q＝K·VD·S (1)其中，K是流量系數(shù)，K＜1.0，S是流體流動(dòng)截面。
在K等于常數(shù)的條件下可以得到該流量測(cè)量方法。換句話說，管道的直線部分必須足夠長(zhǎng)。并且，還優(yōu)選雷諾數(shù)大于104。
另一方面，盡管流速分布是不規(guī)則的并且K不是常數(shù)，超聲波多通道流量測(cè)量方法是眾所周知的一種能夠高精度地測(cè)量流量的方法。
因此，下面公開了典型的超聲波多通道流量測(cè)量方法和裝置在199年7月2日授權(quán)的美國(guó)專利第5,531,124號(hào)；在1996年7月2日授權(quán)的美國(guó)專利第5,531,124號(hào)在1987年7月25日授權(quán)的美國(guó)專利第4,646,575號(hào)在1997年7月25日授權(quán)的日本專利第2676321號(hào)該超聲波多通道流量測(cè)量方法具有以下特點(diǎn)如

圖1所示，可以通過以下方式計(jì)算流量Q測(cè)量在平行于流體截面的直徑線的多個(gè)弦線上的流速以作出流速分布曲線，計(jì)算流體截面的平均流速VS并且將平均流速VS乘以流體截面面積S，或通過以下方式對(duì)根據(jù)流速分布和直徑變化的截面面積進(jìn)行二重積分。因此，該超聲波多通道流量測(cè)量方法不需要流量系數(shù)。
Q＝Vs·S(2)或，Q=∫∫SV(r)S(r)dr·dr----(3)]]>為此，即使管道的直線部分相對(duì)較短并且流速分布是不對(duì)稱的，也可以一定程度精確地測(cè)量流量。如上所述，這些超聲波流量測(cè)量方法的共同點(diǎn)是使用超聲波測(cè)量流速并乘以截面面積以計(jì)算得到流量。
超聲波流量計(jì)具有以下最大的特點(diǎn)不象其它流量計(jì)，用于測(cè)量流量的傳感器能夠被安裝到已經(jīng)布置好的管道上。換句話說，在超聲波多通道流量計(jì)的情況下，流量的測(cè)量只能夠被已安裝的成對(duì)的傳感器的安裝來完成。因此，已經(jīng)開發(fā)出用于在管道上安裝傳感器而不用停止流體流動(dòng)的技術(shù)。特別是，即使在管道內(nèi)徑較大的情況下，能夠使在管道布置完成后將流量測(cè)量裝置安裝到位。這意味著，不需要具有較大的容積和重量流量計(jì)的管道部分的制造以及將它運(yùn)送到工作現(xiàn)場(chǎng)。也不需要用于安裝流量計(jì)的法蘭的焊接工作。
將超聲波流量計(jì)安裝到已經(jīng)布置好的管道上時(shí)需要注意以下事項(xiàng)在使用超聲波多通道流量計(jì)的情況下，可以在現(xiàn)場(chǎng)較高可靠性地檢查到流量測(cè)量誤差。因?yàn)槭褂贸暡y(cè)量在多個(gè)弦線上的流速，可以寫出流速的分布曲線。因此，根據(jù)流速的分布曲線的形狀，可以檢查出截面平均流速VS的計(jì)算編程誤差δSW。
并且，如果通過傳送時(shí)間差分方法測(cè)量出在弦線上的流速，可以借此檢查出超聲波傳送時(shí)間t1和t2、測(cè)量誤差δt1和δt2、時(shí)間差分Δt＝t2-t1的誤差δΔt、傳送長(zhǎng)度L的測(cè)量誤差δL和在L上投影距離d＝Lcosφ等，由此來確定流速測(cè)量誤差δV。與此相似，能夠直接測(cè)量到流量測(cè)量誤差δQ，并且最大的流量測(cè)量誤差δQMAX也可以通過下式得到δQMAX＝δV+δSW+δS(4)其中，δS是流體截面測(cè)量誤差，δSW是截面平均流速或VS和S的雙重積分的誤差。已知的用于測(cè)量流速的傳送時(shí)間差分方法如下V=L22dΔtt2-t1----(5)]]>因此，δV的計(jì)算公式如下δv=(2δL+δd)+δt12+δt22+δΔt2=(2δL+δd)+2δt1,22+δΔt2---(6)]]>其中，δL和δd是被輸入到流速計(jì)算邏輯處理器或微計(jì)算機(jī)中的間隔距離L和d的測(cè)量誤差。L和d的符號(hào)在流速測(cè)量期間不會(huì)變化。但是，傳送時(shí)間測(cè)量的誤差δL和δd被一個(gè)平均方差所代表，因?yàn)榕既徽`差部分較大。
使用用于根據(jù)不同的流速分布曲線來計(jì)算表達(dá)式(2)和(3)的計(jì)算機(jī)，能夠獲得計(jì)算編程誤差δSW。因此，能夠高可靠性地檢查出測(cè)量誤差δV和δSW，但是如果在現(xiàn)場(chǎng)安裝有超聲波流量計(jì)，很難準(zhǔn)確地檢查流體截面測(cè)量誤差δS。為此，因?yàn)棣腟變得較大，所以增加了流量測(cè)量誤差。其結(jié)果如下如果流體截面是一個(gè)理想的圓形，其截面S如下S＝πD2/4 (7)其中，D是管道的內(nèi)徑。
但是，不能夠直接測(cè)量已經(jīng)布置好的管道的內(nèi)徑。最簡(jiǎn)單的方法是使用制造商提供的管道的內(nèi)徑來計(jì)算截面面積，但是內(nèi)徑可能與已經(jīng)布置好的管道內(nèi)徑不同。為此，不可能確實(shí)截面面積S的流體截面測(cè)量誤差δS。此外，如果在管道的內(nèi)表面形成腐蝕阻力層，則它的厚度不能精確地測(cè)量得到。管道的截面也不可能是完全的圓形，因?yàn)楣艿揽赡茉趦?chǔ)存、運(yùn)輸和布置工作中產(chǎn)生變形，結(jié)果可能是橢圓形。在環(huán)境因素影響下，內(nèi)徑D的測(cè)量誤差δD可能回較大地增加。流體截面測(cè)量誤差δS如下δS＝2δD(8)如果D＝600mm，和它的絕對(duì)誤差ΔD＝8mm，δD＝(8/600)×100≈1.34％。流體截面測(cè)量誤差δS如下δS＝2×1.34＝2.68％因此，即使精確測(cè)量到流速，不可能將流量的測(cè)量誤差減小到小于δS。特別是，在管道具有較大直徑的情況下，它的截面易于變成較大的橢圓形。結(jié)果，如果將超聲波傳感器安裝到已經(jīng)布置好的管道上以為了測(cè)量流量，很困難精確地測(cè)量到流體截面面積S。此外，流體截面測(cè)量誤差δS變大，所以流量測(cè)量的誤差δQ也會(huì)加大。
當(dāng)通過表達(dá)式(3)的雙重積分根據(jù)超聲波多通道流量測(cè)量方法來計(jì)算流量Q時(shí)，假設(shè)截面S是圓形的，使用了函數(shù)S(r)(r是測(cè)量的半徑)。如果截面S是橢圓而不是圓形時(shí)，雙重積分誤差具有較大的誤差。當(dāng)考慮流速分布曲線V(r)位于間隔-R和+R之間，如圖1所示，由于D＝2R的測(cè)量誤差δD，會(huì)出現(xiàn)雙重積分誤差。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種超聲波多通道流量測(cè)量方法，當(dāng)多個(gè)成對(duì)的傳感器被安裝到已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)布置好的管道上時(shí)，其在管道內(nèi)截面面積不能被測(cè)量的條件下，能夠顯著地減少流量的測(cè)量誤差。
根據(jù)本發(fā)明，一種超聲波流量測(cè)量方法包括以下步驟以一種方式測(cè)量管道的內(nèi)徑，即從一個(gè)在能估計(jì)范圍之內(nèi)的作為管道尺寸的內(nèi)徑的最大偏差中減去腐蝕阻力層及其可能的偏差厚度；測(cè)量具有測(cè)量的內(nèi)徑的理想圓截面的流量QI，該測(cè)量的內(nèi)徑在超聲波多通道流量測(cè)量方法的基礎(chǔ)上測(cè)量得到的根據(jù)流速分布曲線計(jì)算剩余截面的流量QII并將流量加到流量中以計(jì)算總流量Q。因此，該方法不但能夠測(cè)量在管道的內(nèi)徑的理想圓形流體截面中的流量，還能夠高可靠性地精確的測(cè)量在不能測(cè)量的管道的內(nèi)徑條件下的流量。
具體來說，當(dāng)多個(gè)成對(duì)傳感器被安裝到已經(jīng)布置好的管道上和實(shí)現(xiàn)超聲波多通道流量測(cè)量方法時(shí)，可以通過下式得到作為管道標(biāo)準(zhǔn)提供的內(nèi)徑的可預(yù)測(cè)最大偏差ΔD、 腐蝕阻力層以及其可能的厚度偏差Δa。
D＝DS-(ΔD+2a+2Δa) (9)根據(jù)超聲波多通道流量測(cè)量方法，對(duì)具有內(nèi)徑D的諸如理想圓形截面SI＝πD2/4進(jìn)行測(cè)量可以得到流量QI，然后剩余的截面SII可以按下式得出SII=π4(DS-D)2=π(RS-R)2----(10)]]>對(duì)應(yīng)于剩余截面SII根據(jù)流體流速分布曲線計(jì)算出流量QII，并且將其與QI相加以便測(cè)量總流量Q。總流量Q按下式得到Q＝QI+QII(11)在這個(gè)情況下，假設(shè)QII誤差是δQII，對(duì)總流量Q的影響按下式得到δIIQ=QI+QII(1+δQII)QI+QII-1+δQII1+QIQII---(12)]]>如果QI≈50QII，取決于δQII的總流量誤差的增加率δQ是δQII/51。即使增加率δQ超過δQII＝20％，δQ≈0.4％。因此，在內(nèi)徑不能精確測(cè)量的條件下，仍然可以較高精度地得到流量Q?？墒?，注意的是，通過使用超聲波可以在具有內(nèi)徑D的理想圓形的流體截面中精確地測(cè)量得到QI。
下面將參考附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，其中
圖1是表示了現(xiàn)有技術(shù)的超聲波多通道流量測(cè)量方法的原理視圖；圖2是表示了本發(fā)明的超聲波多通道流量測(cè)量方法的原理視圖；圖3是表示在流動(dòng)截面的對(duì)稱布置中形成的流速分布曲線；圖4是表示了在R＝(RS-ΔR)的環(huán)形截面SI和SII＝π(RS-R)2橢圓形截面中的每個(gè)截面平均流速VSI和VSII的比率VSII/VSI和ΔR/RS之間的一個(gè)流動(dòng)截面的函數(shù)曲線的視圖；圖5是表示了在截面SI和橢圓形截面SII中的每個(gè)流量QII和QI的比率QSII/QSI和ΔR/RS之間的一個(gè)流動(dòng)截面的函數(shù)曲線的視圖；圖6是表示了一個(gè)在非對(duì)稱布置中形式的流速分布曲線。
參考圖2，如果管道的內(nèi)徑不能被直接測(cè)量得到，或者特別是在管道具有較大直徑的情況下，有可能變成橢圓形。如果制造商提供的管道內(nèi)徑DS，被替換到截面S的表達(dá)式中，可能會(huì)較大地增加截面誤差。在這種情況下，多個(gè)成對(duì)的傳感器1i和2i被安裝以強(qiáng)迫具有半徑R＝RS-ΔR＝RS(1-ΔR/RS)的理想圓的圓周線小于管道標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)徑RS以對(duì)應(yīng)于其傳送/接收表面。RS是管道標(biāo)準(zhǔn)中所提供的內(nèi)徑DS的一半。在這個(gè)時(shí)候，ΔR的選擇根據(jù)以下因素使用由管道的制造商提供的內(nèi)徑的偏差ΔD和腐蝕阻力層及其可能的偏差厚度的和(a+Δa)來計(jì)算ΔR。
ΔR＝α(ΔD/2+a+Δa) (13)其中，α是預(yù)備系數(shù)，是在如果ΔD、Δa的可靠性較低時(shí)，起到乘積增加的作用。系數(shù)α＞1.0。
如果內(nèi)徑的偏差不固定，可以根據(jù)以下方式得到ΔD，即在管道的外圓周表面上的多個(gè)點(diǎn)測(cè)量管道的外徑。
在上述獲得ΔR的基礎(chǔ)上，成對(duì)的傳感器1i和2I的安裝角度φi和傳感器插入到具有半徑R＝RS-ΔR的圓周線上的長(zhǎng)度1i按照下式計(jì)算1i＝ΔR/sinφi(14)在該表達(dá)式的基礎(chǔ)上，成對(duì)的傳感器被安裝到管道上。此后，流體在管道中充滿，借助于三點(diǎn)方法測(cè)量音速C并且測(cè)量在成對(duì)傳感器之間的超聲波穿過時(shí)間ti以計(jì)算在成對(duì)傳感器之間的間隔Li＝C·ti，其中Li的測(cè)量方法在1996年7月14日公布的美國(guó)專利第5,531,124號(hào)和在1998年7月14日公布的美國(guó)專利第5,780,747號(hào)中被公開，根據(jù)Li的計(jì)算結(jié)果，判斷傳感器的穿過/接收表面是否對(duì)應(yīng)于具有半徑R＝RS-ΔR的圓的圓周。如果需要，可以調(diào)節(jié)傳感器的位置。并且，可以使用成對(duì)傳感器1i和2i和在成對(duì)傳感器之間的間隔Li的安裝角φi獲得R＝RS-ΔR或D＝DS-2ΔR的值，如下式所示D＝LI×sinφi＝2R (15)并且接著可以判斷是否選擇R＝RS-ΔR。
通過超聲波測(cè)量流量QI的流體截面SI如下式所示SI＝πR2＝πR2S(1-ΔR/RS)2(16)假設(shè)在截面SI內(nèi)的平均流速是VSI，流量QI通過下式進(jìn)行計(jì)算QI＝SI·VSI＝πR2S[1-(ΔR/RS)2]·VSI(17)不能通過超聲波測(cè)量的截面SII如下式計(jì)算得到SII＝π(R2S-R2)＝πR2S[R2S-R2S(1-ΔR/RS)2]＝πR2S[1-(1-ΔR/RS)2](18)如果橢圓形截面SII的平均流速是VSII，在截面SII中的流量QII如下式進(jìn)行計(jì)算QII＝πR2S[1-(1-ΔR/RS)2]·VSII(19)其中VSII是不能測(cè)量得到的值。只能使用流速分布曲線計(jì)算出該值。
首先，可按下式得到QII/QI的比值a=QIIQI=πRS2[1-(1-ΔR/RS)2]VSIIπRS2[1-ΔR/RS]2VSI=1-(1-ΔR/RS)2VSII(1-ΔR/RS)2VSI---(20)]]>=[1(1-ΔR/RS)2-1]VSIIVSI]]>當(dāng)然，VSII＜＜VSI，和QII＞＞QI。該比值a＜＜1.0，以及1/a＞＞1.0。VSII和VSI是ΔR/RS的函數(shù)。
參考圖3，表示了流速分布曲線，如果管道的直線部分足夠長(zhǎng)以及在正常狀態(tài)下流速的分布是對(duì)稱的。Y坐標(biāo)是ΔR/R，X坐標(biāo)是V/Vo。Vo是在管道中心線或直徑線上的流速。在間隔0～ΔR/RS之間和間隔0～ΔR/RS之間平均流速的比率是VSII/VSI。該比率按下式計(jì)算VSIIVSII=RΔR∫0ΔRR·V(r)·dr11-ΔRR∫ΔRR1·V(r)·dr----(21)]]>參考圖4，顯示了VSII/VSI＝f·ΔR/RS的曲線。
參考圖5，顯示了a＝QII/QI＝f(ΔR/RS)的曲線。
通過將由超聲波測(cè)量得到的流量QI乘以a得到流量QII。因此，總流量按下式計(jì)算Q＝QI+aQI＝QI(1+a)(22)當(dāng)ΔR/RS＝0.0025∶0.05時(shí)，a＝QII/QI＝0.0006∶0.016。當(dāng)內(nèi)徑DS＝1000mm和ΔR/R＝0.05時(shí)，ΔR＝25mm。如果QII的計(jì)算誤差為δQII＝20％，并且ΔR/RS＝0.05時(shí)，可以通過以下的表達(dá)式(12)得到由于δQII而產(chǎn)生的流量Q的測(cè)量誤差組分δIIQ=δQII1+Q1QII=δQII1+1a----(12)]]>
因此，如果將δQII＝20％和a＝～0.016替代到表達(dá)式(12)，δQII＝0.315％。如果ΔR/RS＝0.025，δQII≈0.14％。在此，QII的計(jì)算誤差不小于20％，影響總流量誤差的誤差組分在0.14～0.315％之內(nèi)。ΔR/RS＝0.025或0.05的選擇意味著內(nèi)徑的偏差為2.5％或5％(參考表達(dá)式9)。在這種情況下，截面S的計(jì)算誤差δS意味著2δD＝5-10％。這意味著流量δQ≥(5-10)％。如果在截面SI中的超聲波測(cè)量誤差δQI為1％，總流量測(cè)量誤差如下式所示δQ＝δQI+δQII＝1.14～1.315％但是，如果根據(jù)傳統(tǒng)的超聲波流量測(cè)量方法δS＝5-10％，則δQ≈6.0-11％。
參考圖6，在多個(gè)弦線上測(cè)量的流速分布曲線是非對(duì)稱的布置。此時(shí)，沒有測(cè)量的部分的平均流速按下式計(jì)算VII≈(VII1+VII2)/2 (23)如圖6所示，VII2＜＜VII1。結(jié)果，它和對(duì)應(yīng)于對(duì)稱布置的流速分布的VII十分相似。
因此，如果在不能十分精確地測(cè)量流體流動(dòng)截面的區(qū)域，和存在管道的內(nèi)徑的偏差，以及管道是橢圓形的情況下，本發(fā)明能夠增強(qiáng)流量測(cè)量的精度。
權(quán)利要求
1.一種超聲波多通道流量測(cè)量方法，用于測(cè)量在管道的流體截面中分割的多個(gè)弦線上的流速，包括以下步驟測(cè)量截面SI的流量QI，該截面SI對(duì)應(yīng)于減去ΔR的半徑R，如果管道的內(nèi)徑不能被直接測(cè)量并且內(nèi)徑是不可忽略的，其中ΔR是在管道標(biāo)準(zhǔn)中提供的半徑RS的最大偏差、腐蝕阻力層的厚度以及偏差Δa的總和；計(jì)算通過超聲波不能被測(cè)量的截面SII的流量QII，其中SII＝πR2S[1-(1-ΔR/RS)2]，隨后使用流速分布曲線獲得腐蝕層厚度a=QIIQI=f(ΔRRS);]]>以及計(jì)算總流量Q，其中Q＝QI(1+a)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波多通道流量測(cè)量方法，其特征在于安裝多個(gè)成對(duì)的傳感器，使傳感器的表面通過 被插入到管道中，以對(duì)應(yīng)于具有R的圓的圓周線，測(cè)量在成對(duì)傳感器之間的間隔Li，以下面的方式得到Li，即將在成對(duì)的傳感器之間的超聲波穿過時(shí)間乘以音速C，然后判斷并調(diào)整成對(duì)傳感器的表面是否位于半徑R的圓周線上，其中φi是傳感器的安裝角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波多通道流量測(cè)量方法，其特征在于使用通過超聲波多通道流量測(cè)量系統(tǒng)在多個(gè)弦線上測(cè)量的速度Vi，得到流速分布曲線，計(jì)算從管道壁面的0和ΔR之間的平均流速VII并且替代到表達(dá)式 中以獲得腐蝕阻力層厚度a，在算術(shù)邏輯處理器中計(jì)算流量Q，其中Q＝QI(1+a)，其中的表達(dá)式如下a=π(RS2-R2)πR2•VIIVI]]>
全文摘要
一種超聲波流量測(cè)量方法包括以下步驟:以一種方式測(cè)量管道的內(nèi)徑,即從一個(gè)作為管道尺寸的內(nèi)徑的最大偏差中減去腐蝕阻力層及其偏差厚度;測(cè)量具有測(cè)量的內(nèi)徑的理想圓截面的流量QI,該測(cè)量的內(nèi)徑通過超聲波多通道流量測(cè)量方法得到;根據(jù)流速分布曲線計(jì)算剩余截面的流量Q
文檔編號(hào)G01F1/66GK1344913SQ0110009
公開日2002年4月17日 申請(qǐng)日期2001年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月15日
發(fā)明者張學(xué)壽 申請(qǐng)人:海德羅索尼科國(guó)際有限公司, 國(guó)際海德羅索尼科有限公司