專利名稱：流體測(cè)量管道中的波型抑制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及的是流體的超聲波流量測(cè)量，具體涉及的是在測(cè)量中，控制和/或抑制非基頻聲波波型的影響。
已知?dú)怏w的流速以及在氣體中的聲速是能夠通過(guò)在氣流的上游測(cè)和下游測(cè)對(duì)超聲波脈沖的傳播時(shí)間進(jìn)行兩次測(cè)量來(lái)確定。這是傳播時(shí)間式超聲波氣體流量計(jì)的工作的原理。為了使這種計(jì)時(shí)具有較小的不確性，需要選擇一些能夠作為計(jì)時(shí)標(biāo)記的具有精確特征的脈沖。信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)在時(shí)間上能夠非常準(zhǔn)確地確定并成為一個(gè)很好的記時(shí)標(biāo)記。但是，過(guò)零點(diǎn)有很多，必須從中可靠地選擇一個(gè)這樣的過(guò)零點(diǎn)作為計(jì)時(shí)標(biāo)記。
圖1E表示的是一種典型的超聲測(cè)量裝置1，其中，兩個(gè)傳感器2，3通過(guò)一個(gè)管道4面對(duì)面地相對(duì)設(shè)置，管道4為圓柱形，截面為圓形，氣體沿箭頭6所示方向在管道4中流動(dòng)。
圖1A-1D表示的是從入射到圓形管道4中的超聲波脈沖所獲得的典型信號(hào)。圖1A表示的是一開始的接收信號(hào)，而圖1B、1C和1D表示的是經(jīng)過(guò)一些時(shí)間的接收信號(hào)，其中，各時(shí)間標(biāo)記分別表示信號(hào)1次，2次，3次和4次經(jīng)過(guò)信號(hào)開始時(shí)的初始到達(dá)點(diǎn)。
選擇一個(gè)特定的負(fù)過(guò)零點(diǎn)，作為記時(shí)的標(biāo)記。PCT/AU92/00314(WO93/00569)號(hào)國(guó)際專利申請(qǐng)披露了一種電子流體流量計(jì)，其中，包含一完善的以兩級(jí)處理來(lái)選擇這種特定過(guò)零點(diǎn)的電路系統(tǒng)。利用信號(hào)幅度，負(fù)向過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)器能夠在到達(dá)所需的過(guò)零點(diǎn)之前選擇時(shí)間。對(duì)于這個(gè)預(yù)備過(guò)程在時(shí)間上允許有適當(dāng)?shù)淖杂啥?，但是，很明顯這種選擇必須是在所選擇的過(guò)零點(diǎn)之前而在前一個(gè)過(guò)零點(diǎn)之后進(jìn)行。此外，這可以用來(lái)代替精確的時(shí)間標(biāo)記。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種裝置工作令人滿意，這是因?yàn)檫@種裝置是根據(jù)信號(hào)幅度工作并隨時(shí)間變化。所以，引起信號(hào)幅度改變的任何因素都有干擾初始時(shí)間的選擇，從而干擾正確的過(guò)零點(diǎn)的選擇的可能。在電子系統(tǒng)中幅值變化的一個(gè)原因是增益變化。增益發(fā)生變化可能是因?yàn)槔匣?，溫度變化，或其他環(huán)境影響。一般是采用某種自動(dòng)增益控制(AGC)的方法來(lái)對(duì)這些變化進(jìn)行補(bǔ)償，自動(dòng)增益控制的方法幾乎消除了這些幅值的變化。但是，會(huì)有另外的使幅值改變的原因，即，即使由于使用AGC的結(jié)果在最大峰值高度恒定的時(shí)候也會(huì)對(duì)信號(hào)中個(gè)別峰值高度產(chǎn)生影響。此外，當(dāng)幅值改變導(dǎo)致錯(cuò)誤選過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候，所產(chǎn)生的時(shí)間誤差至少是信號(hào)的一個(gè)整周期。由于這是系統(tǒng)性的，所以，這意味著一個(gè)嚴(yán)重的誤差，而且進(jìn)行平均也不會(huì)產(chǎn)生不精確性更小的無(wú)偏差平均值。這些幅值變化的一個(gè)明顯原因是非基頻聲波波型的存在和傳播。
本發(fā)明的目的就是通過(guò)采用一個(gè)裝置來(lái)基本解決上述問(wèn)題，或使上述問(wèn)題得到改善，利用該裝置，能夠進(jìn)一步減少非基頻聲波波型對(duì)所接收的信號(hào)，典型的是對(duì)其幅值的影響。
在整個(gè)說(shuō)明書中所稱的“非基頻聲波波型”是指包括稱為高次聲波波型的聲波波型，反之也一樣。
按照本發(fā)明的一個(gè)方面提供一種流體流量測(cè)量系統(tǒng)，它包括一個(gè)輸送流體的管道，在管道中有分開設(shè)置的兩個(gè)傳感器，在兩個(gè)傳感器之間限定一個(gè)流體流量測(cè)量部分，其中，這個(gè)測(cè)量部分適于控制非基頻聲波波型對(duì)由至少一個(gè)傳感器所接收的信號(hào)的作用。
總的來(lái)說(shuō)，構(gòu)成這個(gè)測(cè)量部分以便控制非基頻聲波波型在傳感器之間的傳播，是為了在被傳感器接收時(shí)減少它們的影響，其中，通過(guò)降低非基頻聲波波型前進(jìn)的速度來(lái)抑制它的傳播。
其優(yōu)點(diǎn)是，不降低基頻聲波波型的速度，并且通過(guò)減少非基頻聲波波型單純對(duì)一個(gè)傳感器所接收的信號(hào)的幅值的作用來(lái)降低非基頻聲波波型的影響。
在一種結(jié)構(gòu)形式中，測(cè)量部分具有至少一個(gè)位于管道中的阻礙物，以使流體能圍繞阻礙物流動(dòng)，阻礙物的形狀和在管道中的位置都是為抑制非基頻聲波波型的影響而設(shè)計(jì)的。一般來(lái)說(shuō)，阻礙物位于管道的中央。另外一種是阻礙物可以不位于管道的中央。其優(yōu)點(diǎn)是，按流體動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)阻礙物的形狀以使在其附近流體壓力的減小被降至理論上的最低點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，這是通過(guò)在管道的測(cè)量部分中設(shè)置一個(gè)或一些具有合適的按流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的形狀的阻礙物以把管道內(nèi)的流體壓降減小到最小或顯著地減小來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中，阻礙物具有基本光滑的表面。
在一種特定的結(jié)構(gòu)形式中，測(cè)量部分自身在形狀上至少有一部分具有增大的、非圓形的橫截面。通常是通過(guò)這樣的管道來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種管道具有至少兩個(gè)內(nèi)部相連的管壁部分，其中一個(gè)管壁部分是彎曲的，而另一個(gè)基本上是不彎曲的。彎曲管壁部分的形狀可以是橢圓，圓，拋物線，雙曲線，擺線，內(nèi)擺線，或外擺線的一部分。管壁部分間的內(nèi)部連接可以是整體形成的，或是由分開的基體形成的。如上所述，阻礙物位于增大的測(cè)量部分中。
在一種典型的流量測(cè)量系統(tǒng)中有一個(gè)輸送流體的管道，在管道中有兩個(gè)分開設(shè)置的傳感器，在兩個(gè)傳感器之間限定一個(gè)測(cè)量部分，測(cè)量部分包括一個(gè)圓柱形管道，并且至少有一個(gè)按流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)形狀的阻礙物位于測(cè)量部分的中央。
另一種是，測(cè)量部分可以包括至少一個(gè)在形狀上橫截面為非圓形的測(cè)量部分的部分，這個(gè)部分與設(shè)置在測(cè)量部分中的至少一個(gè)按流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)形狀的阻礙物相結(jié)合，這種結(jié)合用于抑制由至少一個(gè)傳感器所接收的非基頻聲波波型的影響。
一般來(lái)說(shuō)，阻礙物是橢圓形并在傳感器之間沿管道的主軸設(shè)置在管道的中央，從而使在橫截面上圍繞阻礙物為一個(gè)環(huán)形，其中，在管道管壁和阻礙物之間的流動(dòng)通道的寬度沿阻礙物發(fā)生變化。
在管道中可以設(shè)置有一個(gè)，兩個(gè)，三個(gè)直到十個(gè)或更多的阻礙物。形成測(cè)量部分的管道的內(nèi)表面還可以是粗糙不平的，以抑制由至少一個(gè)傳感器接收的非基頻聲波波型的影響。
如上所述的系統(tǒng)可以用于進(jìn)行液體或氣體的流量測(cè)量。一般來(lái)說(shuō)，氣體可以是民用氣體，甲烷，丙烷，氧氣，氫氣或工業(yè)用氣體。其優(yōu)點(diǎn)是，這個(gè)系統(tǒng)可以構(gòu)成民用或工業(yè)用氣體流量計(jì)的一部分，這種氣體流量計(jì)特別適合于測(cè)量所謂的“天然氣”的流量。關(guān)于在液體流量測(cè)量方面的應(yīng)用包括液體碳?xì)浠衔锖退臏y(cè)量，以及在船舶測(cè)速方面的應(yīng)用。
現(xiàn)在參照其余


本發(fā)明的一些實(shí)施例，這些附圖為圖2表示了在圓形管道中存在的基頻和各種高次聲波波型；
圖3說(shuō)明的是會(huì)聚流動(dòng)和(0.2)波型；圖4表示的是圖3的接收波形；圖5是與圖4相似但是在采用了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例之后的示意圖；圖6表示了在圖5中所采用的一單個(gè)阻礙物的實(shí)施例；圖7表示了另一個(gè)包括兩個(gè)阻礙物的實(shí)施例；圖8表示的是由圖7的實(shí)施例所產(chǎn)生的波形；圖9A-9D是與圖1A到1D相似的，但如圖6或圖7那樣在管道中設(shè)置有一個(gè)阻礙物的示意圖；圖10表示了氣體管道溫度變化的影響；圖11A和11B表示在圖10的管道中發(fā)射的信號(hào)；圖12說(shuō)明了采用本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例對(duì)圖11所作的改進(jìn)；圖13A和13B關(guān)于溫度變化對(duì)有無(wú)阻礙物的波形進(jìn)行了比較；圖14表示的是采用“聲循環(huán)”(ring-around)技術(shù)發(fā)射傳輸超聲波；圖15A和15B表示的是代表另外的一些實(shí)施例的兩種管道形狀，其能夠減少由于采用“聲循環(huán)”技術(shù)所產(chǎn)生的高次波型的影響；圖16A-16D是與圖1A到1D相似，但是由圖6與15A相結(jié)合所產(chǎn)生的信號(hào)的示意圖。
當(dāng)把聲音脈沖沿著管路或管道入射的時(shí)候，會(huì)引起傳輸信號(hào)的許多聲波波型。這些波型可以簡(jiǎn)單地被認(rèn)為是從管道的管壁的反射，或者是緊繃在鼓上的鼓面的振動(dòng)并在空間傳播。這兩種類比模擬都有它們的用處但也有各自的局限性。
反射類比能夠確定，反射多次的波型沿管道傳播的速度會(huì)下降。最快的波型是未被反射的平面波或基頻波型。平面波波型沿管道以聲波在自由空間中的速度進(jìn)行傳播，用C表示。其它波型由于被管道管壁所反射，所以沿管道傳播的速度是在從幾乎接近C向下降到零的范圍內(nèi)，盡管嚴(yán)格地講，零速度的波型是不會(huì)傳播的。一般來(lái)說(shuō)，越慢的波型越少被引發(fā)，因此比快一些的波型在幅值上要小一些。對(duì)于傳播速度小于C/5的波型，其幅值只為主幅值的百分之一或百分之二。除了平面波每種波型都有截止頻率，在截止頻率之下，波型就不會(huì)在具體的管道中傳播。對(duì)于所考慮的頻率和管道尺寸，有許多波型頻率是在截止頻率以上。
雖然波型是分開存在的，但是，這些波型疊加起來(lái)可以產(chǎn)生幾乎是連續(xù)的信號(hào)。對(duì)一些波型的接收會(huì)比對(duì)另外一些波型的接收多得多，所以，如圖1A-1D所示，總的信號(hào)會(huì)出起伏的外觀，由此可以知道，其中有一些波型要明顯強(qiáng)于在任一邊上的速度小的波型。
圖2表示的是采用鼓面類比所表示的在圓形管道4中存在的一些很快的波型的很多模擬方式。(0.2)波型是一種中央部分與周邊異相的振動(dòng)。這是預(yù)期的，因?yàn)閭鞲衅?，3在管道4的中央部分引起很強(qiáng)的激振。(0.2)波型的速度只略微低于平面波(0.1)波型的速度，除了使用非常長(zhǎng)的管道以使波型分開之外，所接收的信號(hào)是這兩個(gè)波型的和。對(duì)于圓柱形管道，兩個(gè)信號(hào)間的精確的相位關(guān)系決定了所接收的合成信號(hào)的幅值。該相位關(guān)系取決于管道4的直徑，管道的長(zhǎng)度(在傳感器2，3之間的長(zhǎng)度)，以及取決于平面波的速率。
聲波的速度，即平面波的速度，由下式給出C=γpρ0-----------------(1)]]>其中γ是比熱系數(shù)，P是壓力，ρ0是氣體密度。這樣，速度取決于氣體的特性，而且對(duì)于一種具體的氣體，在固定的壓力和絕對(duì)溫度的情況下，速度將按照在某種標(biāo)準(zhǔn)溫度，在這種情況為273K的速度給出C=C273T273-------------(2)]]>C值的變化會(huì)改變相位關(guān)系并能明顯地改變合成信號(hào)的幅值。這個(gè)幅值還會(huì)受到會(huì)聚流動(dòng)的影響。
以相似方式圖3表示的是傳輸成為一種會(huì)聚流動(dòng)的情況。圖4表示的是在這種情況下所接收的波型，從圖4中可以看到在包絡(luò)線中第二個(gè)最大值要大于第一個(gè)最大值。關(guān)于這種情況一種可能的解釋是，會(huì)聚速度場(chǎng)會(huì)使來(lái)自傳感器3的聲波發(fā)生轉(zhuǎn)向，在其它情況下，這種聲波就會(huì)消失在直徑較小部分的周邊的區(qū)域中。相似的效果可以在把熱的氣體放入冷的管道中(以后討論)的時(shí)候看到。這使得檢測(cè)特定的過(guò)零點(diǎn)更困難。
現(xiàn)在看圖6，如果在管道4中放置一個(gè)中央阻礙物10，則會(huì)阻止由參考標(biāo)號(hào)5表示的(0.2)波型的中央部分和其它具有中央分量的更復(fù)雜的波型傳播。在這種情況下，管道4圍繞阻礙物10具有一個(gè)環(huán)形截面，考慮到阻礙物10的按空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的形狀，該環(huán)形截面沿其長(zhǎng)度發(fā)生變化。這種效果可以從圖4和圖5中看到，圖4和圖5分別表示了在加有中央阻礙物10前后的經(jīng)過(guò)管道4所接收的信號(hào)。圖4表示了兩種波形，一種是在零速流動(dòng)的波型，其中(0.2)波型是幅值約為平面波波型的幅值三分之二的波型，而另一種是向下游流動(dòng)的波形，其中幅值之比與上面相反。在圖5所表示的具有中央阻礙物10的情況中，(0.2)波型的大小顯著減小而且關(guān)于零速流動(dòng)和下游流動(dòng)的波形非常相似。
雖然中央阻礙物10的放置沒(méi)有限制，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)把中央阻礙物10放在離管道4的入口四或五倍管道直徑的位置上，如圖6所示，會(huì)得到最好的結(jié)果。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理來(lái)決定阻礙物的形狀，合適的形狀有球形或淚滴形。阻礙物10的最佳直徑是約為管道4直徑的一半，但這不是臨界尺寸。
可以使用多于一個(gè)的阻礙物來(lái)獲得一些其它的益處。圖7表示的是在管道13中放置了兩個(gè)淚滴形阻礙物11和12。管道13關(guān)于起始波形方面對(duì)流動(dòng)方向和氣體的特性不敏感。圖8表示的是一個(gè)在空氣氣流向下游側(cè)流動(dòng)(關(guān)于圖4)和天然氣的零速流動(dòng)的情況下所接收信號(hào)的例子。關(guān)于氣體種類和流動(dòng)方式的其它組合的波形還會(huì)在接收波形上產(chǎn)生小的改變。
圖9A-9D表示的是關(guān)于圖6所示的設(shè)置有中央阻礙物10的圓柱形管道的高次波型。高次波型的幅值已被減小，當(dāng)然(0.2)波型的形態(tài)已被控制。
當(dāng)由于測(cè)量器殼體非常涼，或者測(cè)量器殼體的溫度為室溫而氣體非常熱從而使測(cè)量體的溫度非常顯著地低于氣體的溫度的時(shí)候，就會(huì)超乎尋常地更多地引發(fā)(0.2)波型。圖10說(shuō)明了這其中的原因。這里，熱的氣體流6與管道4冷的管壁相接觸就產(chǎn)生了一層冷卻的氣體7。由箭頭9所示的通常能量是被反射出管道4的，因此在某種意義上講也是被浪費(fèi)的能量能夠進(jìn)入管道4，這是由于其被冷卻的氣體層7所折射，如箭頭8所示。從上面的公式2可知，聲波在氣體中的速度在氣體是冷的情況下要比氣體是熱的情況下要低。如圖10所示，聲束進(jìn)入冷卻氣體區(qū)域的部分以和光束在光密媒質(zhì)中折射極其相似的方式發(fā)生轉(zhuǎn)向。從圖11A和11B中可以看到關(guān)于熱的氣體在冷的管道中流動(dòng)對(duì)所接收的信號(hào)的作用。
圖11A表示向上游傳輸，圖11B表示向下游傳輸。與關(guān)于在均勻溫度下零速流動(dòng)的波形相比，(0.2)波型在圖11A中是被減弱，而在圖11B中是被增強(qiáng)。
上述這種解釋一般是正確的，通過(guò)在測(cè)量管壁處移去冷卻氣體層7可以減少影響。這可以通過(guò)在管道4入口處的入口端安裝一個(gè)氣體攪動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，氣體攪動(dòng)裝置使氣體流產(chǎn)生一種旋流運(yùn)動(dòng)以在管壁處產(chǎn)生混合。通過(guò)比較圖11B和12可以看出這種裝置的作用。在圖12中使用了攪動(dòng)裝置，而其它實(shí)驗(yàn)裝置與圖11B相同。(0.2)波型的減弱是明顯的。
從這方面看中央阻礙物在對(duì)(0.2)波型的抑制方面具有很大的作用。這在圖13A和13B中得到說(shuō)明，其中圖13A表示的是沒(méi)有在管道中設(shè)置阻礙物的情況。管道中流動(dòng)著具有室溫的氣體，管壁被冷卻液所冷卻。(0.2)波型被再次明顯加強(qiáng)。圖13B所表示的情況除已設(shè)置有中央阻礙物之外，其它條件與圖13A所示情況相同。在這種意義上現(xiàn)在的波形是正常的，即這種波形非常類似于在室溫下關(guān)于相同管道(圖5)產(chǎn)生的波形。
雖然到目前為止都是圍繞著(0.2)波型進(jìn)行討論，但是存在非常多的其它的波型。這些波型的幅值一般小于(0.2)波型的幅值，但是，在一定情況下，這些波型可能會(huì)因干擾主聲波波束群的傳播而產(chǎn)生問(wèn)題。在如前面所提及的PCT/AU92/00314號(hào)國(guó)際專利申請(qǐng)中所詳細(xì)說(shuō)明的使用“聲循環(huán)”技術(shù)的時(shí)候尤其如此。
在這種技術(shù)中，當(dāng)檢測(cè)到一個(gè)信號(hào)時(shí)，立即發(fā)射一個(gè)新的脈沖。由于信號(hào)中高次波型的尾沿非常長(zhǎng)，所以，當(dāng)這個(gè)發(fā)射的信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)前一個(gè)信號(hào)仍還有足夠大的幅值。實(shí)際上，會(huì)有一個(gè)由多個(gè)前面發(fā)射的脈沖的高次波型所產(chǎn)生的信號(hào)的疊加作用。這些高次波型會(huì)加到平面波波型中，所產(chǎn)生的結(jié)果是，下一次發(fā)射的時(shí)間由這個(gè)結(jié)果所得到的信號(hào)來(lái)決定。
第一接收信號(hào)的第一部分不含任何其它波型，第二接收信號(hào)含有由第二次發(fā)射的平面波，和那些由第一次發(fā)射的以一半平面波速度，即C/2傳播的波型。第三接收信號(hào)是由第三次發(fā)射的平面波，由第二次發(fā)射的以C/2速度傳播的波型，和那些由第一次發(fā)射的具有C/3速度的波型的和。對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯可以繼續(xù)延伸到第四，第五，…接收脈沖。圖12說(shuō)明了這個(gè)相加的過(guò)程。此外，參閱圖1，當(dāng)波型次數(shù)變高時(shí)幅值就變小，以使速度小于C/4的波型對(duì)接收信號(hào)的影響不大。
從理論上可以表示出或從實(shí)驗(yàn)中可以看到，流體流動(dòng)對(duì)于接收信號(hào)的作用是使其作為一個(gè)整體沿時(shí)間軸運(yùn)動(dòng)，從而使其形狀得到基本保持。已經(jīng)選擇作為時(shí)間標(biāo)記的特定過(guò)零點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間隨流體流動(dòng)而改變。到達(dá)時(shí)間的長(zhǎng)短取決于信號(hào)是向上游傳輸，還是向下游傳輸。接收信號(hào)長(zhǎng)尾沿的在上述重疊過(guò)程中相加的特定部分，是尾沿的在所選擇的過(guò)零點(diǎn)之后的這一到達(dá)時(shí)間整數(shù)倍的那些部分。這樣隨著流體流動(dòng)會(huì)使精確的組合發(fā)生變化。
這種在“聲循環(huán)”技術(shù)中，把相位隨流體流動(dòng)變化的其它(高次)波型與平面波相加，會(huì)使過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間與單獨(dú)只有平面波的情況，即用平面波進(jìn)行單一傳輸?shù)那闆r不同。當(dāng)流量是從由聲循環(huán)運(yùn)算推導(dǎo)出的傳播時(shí)間計(jì)算得出的時(shí)候，隨著流量在從無(wú)流量到最大流量整個(gè)范圍上的流量變化，高次波型相對(duì)一條直線性的響應(yīng)曲線產(chǎn)生周期性偏差。名稱為“在流量測(cè)量中的波型抑制”的由同一申請(qǐng)人提交的“PCT/AU92/00315(WO93/00570)號(hào)國(guó)際專利申請(qǐng)中所記載的，每四次發(fā)射中就發(fā)射一個(gè)相反的脈沖的方法已經(jīng)把這個(gè)問(wèn)題提出了。
但是，這卻不能防止接收信號(hào)的幅值發(fā)生變化。當(dāng)發(fā)射一個(gè)相反的脈沖的時(shí)候，就會(huì)從平面波中減除事先已加到平面波信號(hào)的幅值中的高次波型所產(chǎn)生的信號(hào)。這樣，當(dāng)接收信號(hào)中的最初的一些峰點(diǎn)的幅值產(chǎn)生變化，其變化量與這些高次波型相對(duì)應(yīng)的時(shí)候，檢測(cè)系統(tǒng)必須能夠可靠地檢測(cè)正確的過(guò)零點(diǎn)。因此，如果具有很接近C/2，C/3，等等這樣速度的高次波型的幅值是盡可能的小的話，則一般來(lái)說(shuō)，檢測(cè)電路很容易有效地工作。
通過(guò)對(duì)圖2所示的波型的特性的研究，看來(lái)，它們?nèi)季哂腥Q于測(cè)量管道的圓形橫截面的高度的對(duì)稱性。這樣，為了減少高次波型，很顯然需要盡可能多的破壞或改變管道在幾何上的對(duì)稱性。
圖15A和15B所示的兩個(gè)測(cè)量管道的橫截面代表了在上述要求之間的一種折衷方法。圖15A表示了一個(gè)管道20的橫截面，這個(gè)橫截面包括一個(gè)基本上為半圓的彎曲部分21和兩個(gè)平面22和23。圖15B表示了一個(gè)管道25，其具有一個(gè)一部分為橢圓的彎曲部分26和單獨(dú)一個(gè)平面27。管道20和25是根據(jù)這樣的原理來(lái)工作的，即高次波型易于由管道管壁反射，而且在每一種情況下被平面22和23，或27反射出的波型都會(huì)分別反射到并損耗在曲面21和26上，考慮到最大的周邊長(zhǎng)度(及它們的表面面積)，這會(huì)降低聲壓水平并因此降低高次波型的幅值。
圖16A-16D表示了上述橫截面改變形狀的管道20，在管道20中設(shè)置有一個(gè)單獨(dú)的淚滴形中央阻礙物。下游特性此時(shí)得到明顯改善。使用中央阻礙物減小了一些高次波型以及(0.2)波型的幅值。兩種技術(shù)一塊使用，即非圓柱形管道和中央阻礙物相結(jié)合使用，會(huì)在抑制高次波型方面提高性能。
在另外的結(jié)構(gòu)中，使用一些凹槽和/或凸起使測(cè)量管道4的管壁變得粗糙不平，這些凹槽和凸起在大小上差不多為聲波信號(hào)的波長(zhǎng)的一半，對(duì)于更寬的超聲波頻率一般在0.01到8毫米之間，對(duì)于能在上述國(guó)際專利申請(qǐng)所記載的裝置中使用的頻率來(lái)說(shuō)，最好在0.25到2毫米之間左右。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這樣使其變粗糙不平能夠明顯減少高次聲波波型的影響，而使平面波波型完全支配控制流體流動(dòng)和溫度，且不會(huì)在管道4內(nèi)明顯增加對(duì)流動(dòng)的摩擦阻力(壓力下降)。
通過(guò)用一個(gè)適宜的模具進(jìn)行鑄造，或者用間隔接近半個(gè)聲波波長(zhǎng)的螺旋形凹槽構(gòu)成管壁，能夠得到減弱高次波型的合適的粗糙表面。
由于特定的高次波型所含有的能量只延續(xù)在有限的時(shí)間中，所以能減小特定的高次波型的作用。即，如果波型被反射離開一個(gè)完全圓柱形的表面，則所有波前同時(shí)到達(dá)傳感器并使傳感器受到其全部的作用。使表面粗糙或變形能使一定比例的波前傳播的距離略微長(zhǎng)一點(diǎn)，由此減小總的瞬時(shí)影響。管壁表面過(guò)分的粗糙雖然可以減少高次波型的影響，但也會(huì)明顯增加壓降。
從以上的說(shuō)明可以明顯地看出，加設(shè)阻礙物，對(duì)管道橫截面規(guī)則形狀的改變，以及/或者使傳感器之間的管道變得粗糙不平/有槽，目的都是降低高次聲波波型傳播的速度，而不降低基頻波型傳播通道中的速度。
這里所說(shuō)明的波型抑制技術(shù)的一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)是，其能夠與至少一個(gè)所述的裝置相結(jié)合，在把電子氣體流量計(jì)接入氣體管道之前，用空氣對(duì)其進(jìn)行校正。采用傳統(tǒng)的已有技術(shù)的裝置，由于超聲波在可燃?xì)怏w，象“天然氣”中的模態(tài)響應(yīng)與在空氣中的模態(tài)響應(yīng)不同，所以，這種技術(shù)會(huì)導(dǎo)致校正失誤。在這種情況下，不同的模態(tài)響應(yīng)會(huì)導(dǎo)致接收的超聲波脈沖群的檢測(cè)的時(shí)間不同。根據(jù)這里所說(shuō)明的原理，通過(guò)使模態(tài)響應(yīng)得到顯著減弱，而使檢測(cè)時(shí)間對(duì)于各種氣體是一致的。
上面只說(shuō)明了本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯在不離開本發(fā)明范圍的情況下可以進(jìn)行各種修改和改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種流量測(cè)量系統(tǒng)，包括一個(gè)用于輸送流體的管道，在管道中有兩個(gè)分開設(shè)置的傳感器，在傳感器之間限定一個(gè)流體流量測(cè)量部分，其中測(cè)量部分用于控制非基頻聲波波型對(duì)由至少一個(gè)傳感器所接收信號(hào)的作用。
2.如權(quán)利要求1所述的一種系統(tǒng)，其中構(gòu)成所說(shuō)的測(cè)量部分以控制所說(shuō)的非基頻聲波波型在所說(shuō)的傳感器之間的傳播，由此減少它們?cè)诒凰f(shuō)的一個(gè)傳感器接收時(shí)的影響，通過(guò)減小所說(shuō)非基頻聲波波型的速度來(lái)抑制所說(shuō)的傳播。
3.如權(quán)利要求2所述的一種系統(tǒng)，其中不減小基頻聲波波型的速度，而是通過(guò)減小非基頻聲波波型單純對(duì)由所說(shuō)的一個(gè)傳感器所接收的信號(hào)幅值的作用來(lái)減小非基頻聲波波型的影響。
4.如權(quán)利要求1所述的一種系統(tǒng)，其中所說(shuō)的測(cè)量部分具有至少一個(gè)位于管道中的阻礙物，由此管道中的流體能夠圍繞阻礙物流動(dòng)，阻礙物具有的形狀和被設(shè)置在管道里面都適于控制非基頻聲波波型的影響。
5.如權(quán)利要求4所述的一種系統(tǒng)，其中每一個(gè)所說(shuō)的阻礙物都設(shè)置在管道的中央。
6.如權(quán)利要求4所述的一種系統(tǒng)，其中每一個(gè)所說(shuō)的阻礙物都按流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)其形狀，以減少在阻礙物周圍流體壓力的變化。
7.如權(quán)利要求6所述的一種系統(tǒng)，其中在測(cè)量部分中每一個(gè)所說(shuō)的阻礙物都具有基本光滑的表面，而且構(gòu)成每一個(gè)所說(shuō)的阻礙物以明顯減少在測(cè)量部分中的流體壓降。
8.如權(quán)利要求7所述的一種系統(tǒng)，其中所說(shuō)的阻礙物是從包括有橢球體，和由圓錐體和半球形成的幾何體的組合中選擇出來(lái)的，半球體具有和所說(shuō)圓錐體的底部相結(jié)合的圓形表面。
9.如權(quán)利要求1所述的一種系統(tǒng)，其中測(cè)量部分至少有一部分在形狀上具有一個(gè)增大的，非圓形的橫截面形狀以控制非基頻聲波波型的影響。
10.如權(quán)利要求9所述的一種系統(tǒng)，其中所說(shuō)的管道在所說(shuō)的測(cè)量部分的所說(shuō)部分具有至少兩個(gè)內(nèi)部相連的管壁部分，管壁部分中的至少一個(gè)是彎曲的，而至少另一個(gè)管壁部分基本是不彎曲的。
11.如權(quán)利要求10所述的一種系統(tǒng)，其中彎曲的管壁部分是從包括有部分橢圓，部分圓，拋物線，雙曲線，擺線，內(nèi)擺線和外擺線的組合中選擇出來(lái)的，基本不彎曲的管壁部分呈直線狀。
12.如權(quán)利要求11所述的一種系統(tǒng)，其中管壁部分之間的內(nèi)部連接是整體形成的。
13.如權(quán)利要求9所述的一種系統(tǒng)，還包括至少一個(gè)位于所述測(cè)量部分中的阻礙物，由此使管道中的流體能夠在阻礙物周圍流動(dòng)，阻礙物具有的形狀和設(shè)置在管道中都是適于控制非基頻聲波波型的影響。
14.如權(quán)利要求13所述的一種系統(tǒng)，其中至少有一個(gè)所說(shuō)的阻礙物位于所說(shuō)測(cè)量部分的所說(shuō)部分里。
15.如權(quán)利要求9所述的一種系統(tǒng)，其中在所說(shuō)部分的所說(shuō)管道具有一個(gè)包括不規(guī)則結(jié)構(gòu)的內(nèi)部表面，以抑制所說(shuō)非基頻聲波波型的作用。
16.如權(quán)利要求15所述的一種系統(tǒng)，其中所說(shuō)的不規(guī)則性包括在所說(shuō)的內(nèi)部表面上形成的凹槽，或使所說(shuō)的內(nèi)部表面變得粗糙不平。
17.如權(quán)利要求1所述的一種系統(tǒng)，其中測(cè)量部分包括一個(gè)圓柱形管道和至少一個(gè)位于管道中央的按流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)形狀的阻礙物。
18.如權(quán)利要求17所述的一種系統(tǒng)，其中所說(shuō)的阻礙物是一個(gè)橢球體并沿管道的主軸在傳感器之間設(shè)置在管道的中央，由此導(dǎo)致橫截面圍繞阻礙物呈環(huán)形，其中在管壁和阻礙物之間的流動(dòng)通道的寬度沿阻礙物發(fā)生變化。
19.如權(quán)利要求17所述的一種系統(tǒng)，其中形成測(cè)量部分的管道內(nèi)部表面是粗糙不平的，所說(shuō)的粗糙不平內(nèi)部表面的作用是控制由至少一個(gè)傳感器所接收的非基頻聲波波型的影響。
20.如權(quán)利要求1所述的一種系統(tǒng)，其中測(cè)量部分具有一個(gè)橫截面為非圓形的形狀，并與至少一個(gè)設(shè)置在測(cè)量部分中的按流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)形狀的阻礙物相結(jié)合，這種結(jié)合用于控制由至少一個(gè)傳感器接收的非基頻聲波波型的影響。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種流量測(cè)量系統(tǒng)，其中在超聲波測(cè)量中使高次聲波波型的影響受到抑制。在用于傳輸流體的管道(4，13)中設(shè)置有超聲波傳感器(2，3)。在傳感器(2，3)之間的超聲波信號(hào)以許多高次波型的形式傳播，這些高次波型的速度低于傳播時(shí)間能精確確定的基頻波型的速度。在傳感器之間的測(cè)量部分用于抑制非基頻波型的影響，特別是抑制它們的傳播。實(shí)現(xiàn)這種抑制的實(shí)施例包括在測(cè)量部分中設(shè)置按流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)形狀的阻礙物(10；11，12)(圖6，圖7)，以及/或者使測(cè)量部分的截面不規(guī)則(圖15A，15B)。
文檔編號(hào)G01F1/66GK1119041SQ94191422
公開日1996年3月20日 申請(qǐng)日期1994年3月7日 優(yōu)先權(quán)日1993年3月9日
發(fā)明者N·比格奈爾 申請(qǐng)人:聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織, Agl咨詢有限公司