CN1116877A - 流体流量计 - Google Patents

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Abstract

一种流体流量计，包括：一对在流体流动方向间隔布置的换能器(8，9)；使通过所述换能器以双向发送的声信号穿过流体的传送装置；以及通过监测由换能器接受到的声信号之传播时间而确定有关流体流动信息的处理装置(22)。其中换能器之间的空间的一部分限定出一由流动结构(5)组成的流径。所述流动结构(5)具有若干在流动方向并在轴向延伸的并行流体通道(51，52；61，62；71，72；)。通道的横截面直径以下述方式选出，使得基本上只有平面波的声波由流体传送过通道，对于总的体积流量来说，在工作条件下，流体流过每一通道时的体积流量与所述总的体积流量之比是基本恒定的。特性也始终保持不变，不管分配器的轴向位置如何。

Description

流体流量计
本发明涉及一种流体流量计，它包括第一声换能器及第二声换能器，前者位于后者的上游，换能器之间的声波传播时间被用于测量它们间流过的流体介质的流动速度。
EP-A-0347069公开了一种采用这样方法的超声波流体运动装置。它可以被用来测量流经一已知尺寸之通道的气体流速。通过将所测的速度乘以一速度相关系数，可计算出体积流量。所述的装置可作为民用燃气表的一部分。
这种已知技术(如EP-A-0347096)的一个缺点是，体积流量必须通过所测的速度乘以一速度相关系数才能得出。由于测得的速度与体积流量是呈非线性关系的，该技术在实际应用中是复杂和不精确的。因此，能提供一种更精确地计算体积流量的方法将是很有利的。
正如Cranfield技术学会J.Hemp于1981年7月27日发表的题为“Theory of Transit Time Ultrasonic Flowmeters”所描述的，在一定的流动和声学条件下，由于管子中流体的缘故，一平面波沿该管子传播产生的相移仅与体积流量成正比。这主要是由于平面声波的积分特性决定的。
WO93/00570描述了一种对离轴波模的补偿方法。在该方法中，采用了环绕式发送技术，即每隔三个波包就相对于前波包倒相，以消除管道中高阶波模的传播效应。
US-A-4365518公开了一种声流量计，其中通过流量计的流径被分流入若干长管中，这些管相对超声波波长具有足够大的尺寸，使得超声压力波在每个管中传播时没有显著的变形。该已有技术在大的量程范围内不能有线性响应。
GB-A-2209216中公开了一种通过提供直径小于特定截止点的通道而只让平面波沿流径传送的方法。这样，体积流量不用速度相对系数就能直接算出。当测得的信号没有经相长或相消回声波干涉而沿直接传送路径传播时能取得最高的精度，所述的回声波会引起相位差。因此，通过确保信号沿直接路径传播而进行波模抑制的方法也能提高精确度。然而，由于流道在流管中以紧凑结构布置，因而各距中央轴线有不同径向距离的流道中建立了不同的流体流径，这会导致流量测量误差。
根据本发明的第一方面，提供一种流体流量计，包括：一对沿流体流动方向隔开的换能器；使通过所述换能器以双向发送的声信号穿过流体的传送装置；以及通过监测由换能器接受到的声信号之传播时间而确定有关流体流动信息的处理装置，其中换能器之间的空间的一部分限定出一由流动结构组成的流径，所述流动结构具有若干沿流动方向轴向延伸的平行流体通道，通道的横截面直径以下述方式选出，使得基本上只有平面波的声波由流体传送过通道，对于总的体积流量来说，在工作条件下，流体如此流过每一通道，即通过该通道的体积流量与所述总的体积流量之比是基本恒定的。
在该结构中，每个通道只取样出一份总体积流量的代表性份额。
与已有技术相比，本发明的线性度在三十年只有±1％的偏差。
通道之间的间隙最好被填实，以防止流体沿此流动。
每个通道最好具有基本上为圆形的截面。
用圆形截面的通道比起GB-A-2209216中的六边形截面来有一系列的优点。特别是它能够在减少沿流径的压力降的需要与达到相移最大值之间取得一个最佳的折衷方案。
典型地，通过设置成对称的组件实现本发明，其中换能器设置在流径两端的中央。所述流道可以这样安排，即它们的中央距连接换能器中心的连线的径向距离是相等的，如果外界影响被隔离，则取样出相同流动和声场。尽管不是必需的，但这可以通过在进口腔中产生一旋转的流体流来达到，其中在流通的轴向基本上无速度分量。
根据本发明的第二方面，提供了一种流体流量计，包括：一对在流体流动方向间隔布置的换能器；使通过所述换能器以双向发送的声信号穿过流体的传送装置；以及通过监测由换能器接受到的信号之传播时间而确定有关流体流动信息的处理装置；其中换能器之间的空间的一部分限定出一个由一个具有基本为环形流动通道的流动结构组成的流径，所述换能器也具有一对应的环形形状。
在所有这些情况下，最好能防止回声波偏离流动结构。这可以采用(例如)将换能器布置在非常靠近流动结构或在该流动结构上设置吸收材料的措施来达到。但所述流动结构最好分别具有与进来的声信号成一角度的众斜削平状表面。
以上所述的流体流量计可减小至很小的物理尺寸(如房砖那么大)，并可以低成本生产出来。上述的这种装置特别适用于民用燃气的计量。
借助于高的电—声转换效率及简单的数据处理，本发明的装置功率消耗较低，因而使电池工作寿命延长。
本发明用作燃气表时对燃气组分不敏感。本发明可用于不同的流体，包括液体(例如水)。
现结合附图，对根据本发明设计的流体流量计的一个实例作描述。在图中：
图1为整个***的框图；
图2为流量传感装置的截面图；
图3示出了一个斜削的流管构型；
图4示出了另一种斜削的流管构型；
图5为沿图1中A-A线剖的流道结构一个实例之截面图；
图6为类似于图5的截面图，但示出了第二个实例；
图7为类似于图5的截面图，示出了第三个实例；
图8为类似于图5的截面图，示出了第四个实例；
图9示出了一个将声波发送入图8所示的通道之压电换能器(振子)；
图10为图9的平面视图，示出了所述压电元件的径向振荡之情形；
图11示出了一传统型扬声器；
图12是将声波发送入一个环形流道中的环形换能器(振子)之第二个实例；
图13为类似于图5的截面图，但示出了第五个实例。
图1及图2所示的流量计由二部分组成：一个流量传感器1及一个电子测量***2。流体在进口3流入流量传感器，并在流过连接进口和出口腔6及7的计量管5之后从出口4流出。
在流量传感器中，采用两超声换能器8及9发射和接收沿计量管的声脉冲来探测流体。借助于电子***2，在上游(+)及下游(-)方向测出从发射到接收所需的时间Δt。由这些测量值，如上所述，可以测出通过流量计的体积流量。
电子***2一般由信号发生器组成，它驱动换能器8作上游测量，并可转换，以驱动换能器9作下游测量。声信号穿过计量管5并由另一换能器接收。接收到的信号被数字化，并馈入一数字处理装置，从中输出流量信号。
进口腔6是一圆筒形腔体，经进口3进入的流体以切向射入该腔内，以在腔6中产生旋转的流体，而不会产生沿计量管5之轴向的速度分量。这样做的目的是消除或减轻进口3上游的流动影响，否则会影响计量管5内的流速。这样计量管5就有效地避免了在进流体中的外界干扰，且通过计量管的流体绕连接换能器中心的线32是旋转对称的。
一内管保持架10可做成反射任何偏离直流路径的信号，而使由其反射的回声波不会干涉直流路径的信号，直至完成测量为止。上述工作可由具有小截面的偏斜表面来完成，它可将信号散射，并将其反射而导向一较长的干涉路径或吸收路径。
由于声信号从计量管5的端部11反射，回声波还可返回换能器8或9。采用图3或4所示的计量管5能避免这种现象。该计量管5包括若干流道61，62或71，72，所述计量管的端部11，11′被斜削，以将信号反射而偏离换能器及直流路径。这样由其反射的回声波在测量期间不会干涉直流路径的信号。
可以对换能器的定向性作修正，以减小非沿计量管的信号功率。
通过流量计的体积流量从测得的速度获知。假设流道上的流速是均匀的，则体积流量简单地以下面的公式给出。
              Q＝UA其中Q表示体积流速，U表示均匀的流速，A表示流区截面积。
但是，由于粘度的影响，上述速度并不均匀，在圆形管中从进口开始是以抛物线状分布的。这种速度分布在较高流速状态下开始紊流时还会进一步变化。
在这些条件下，所测得的速度不能简单地乘以截面积而得出体积流量的量值，需要修正。
不幸的是，管子里的流速分布是一个具有众多变量的函数，并呈非线性特性。用标准均值法尝试来克服该短处，但实际应用中花费昂贵且不精确。
此流量计利用了平面声波的积分特性。一平面波沿一管子运动时，由于该管中的流体，将会产生相移。在一定的流动和传声条件下，上述相移只与流速成正比关系，请参见Cranfield技术学会J.Hemp于1981年7月27日发表的题为“Theory of Transit Time UltrasonicFlowmeters”第142至144页。
为了保证传播时间Δt只通过一平面声波测得，需用时域分离法和/或在计量管截止频率以下操作的措施来去除高阶波模。
在本流量计中，计量管5被设计成只传送处于探测流量频率下的平四波。对每一个频率、流速、管壁阻抗及管子几何形状给定的条件下，总对应一个截止频率，在该频率之下，声音只以大致为平面波的第一波模下传播。
高阶波模在频率高于截止频率时的传播，不同的波模以不同的速度运动。通过波模传播的时域差分，这种速度上的不同还可用来隔离平面波的发送。
在圆状管子条件下，决定截止频率的主要参数是管子直径。因此上述问题可看作是“截止直径”的问题。它被定义为如下，即在该直径之下，声音只以特定频率的平面声波传播。
截止管的尺寸与截止频率呈粗略的线性关系，不需要准确知道。对一较理想的刚性圆状管子来说，上述条件转化为用直径小于0.586λ和管子，其中λ是在自由空间里传播的信号波长。如果考虑粘滞阻尼、管壁柔度及表面构造，上述要求还能放松。所有这些方面措施均用来限制或防止高阶波模的传播，因而只有超过上述计算出的截止频率的平面波才能在管子中传播。例如，管子可以设计成衬有吸音材料，该材料可有效地吸收高阶波模反射并防止它们传播。
本流量计具有一个总直径远大于用作一选定工作频率的截止直径的计量管(5)，但它进一步被分成若干个轴向平行延伸、其直径足小于在40千赫频率下的截止直径的通道。从截面上看，计量管(5)可为一种紧凑型结构，图5就示出了计量管(5)的这种构型，其中有一系列通道(51，52，53)。通道51，52，53之间的空隙均被填满。
这样做具有保持流速低的优点，因而也就降低了流动阻力。它还降低了流动噪音并提高了测量精度。
与图5所示的紧凑型结构相比，图6或7所示的结构是优选推荐的。图6中的间隙33被填实，不含流体。图6及7所示的结构可以下述方式与图5示出的那种紧凑型结构作一比较。图5至7示出了连接换能器的中心轴线32，它垂直于纸平面。图5所示的通道(51，52，53)每个均处于距中心轴线32有不同径向距离上。这样会引起每个通道上的流量(速)及声路径彼此不同。相比之下，图6上的所有通道(例如61，62)及图7上的通道(例如71，72)距线32均处于相等的径向距离，因而这些通道中的流量及声路径是相等的，这样能减小误差。
在所有上述实例中，比值qn/Q对所有Q的工作值来说是不变的，其中qn是通过被探测的通道的体积流速，Q为位于进、出口腔6，7之间的总体积流速。测量q值便能获得Q值。
图8示出了另一种流动通道的截面。环状流动通道82含有流体，它包容了一个以实心棒形式的中央实体部分81。所述部分81由周围结构中的叶板(未示)支撑。距离d小于截止直径，以抑制径向离轴波模。
通过确保绕圆周有相等的发送器/接受器响应，可抑制周向离轴波模。通过对换能器进行适当的设计便能做到这一点。
尽管没有示出，但图8所示的实例与图5及图6的实例之各种组合是可以办到的。
图9示出了一合适类型的换能器之实例，其中环状流动通道82取样出由压电换能器130发射的波的一环形区域。所述换能器包括一个粘结于金属盘131上的压电元件131(如图9截面所示)。参见图10平面图，压电元件133以“径向”振荡模振动(用141表示)，它引起金属盘以图9点划线表示的状态振动。
适用于一个环状流动通道的换能器的第二个实例示于图12中。该换能器的结构类似于图11所示的传统式永久磁铁推动线圈的扬声器。永久磁铁141的磁力线用142表示。接附于锥形振动膜145上的线圈143为响应流过其上的电流而在永久磁铁141磁极之间的环形空间146的磁场内于147所示的方向作振动。
在图12所示的换能器中，磁极件152，153做成锥削的形状，以增加它们之间的磁场强度。一轻质且非导电的支撑膜152在其表面载带有盘成螺圈形的导体155。所述螺圈位于磁极件152，153之间的磁场内，有电流流过时就会振动。这样就提供了一所要求的可输入环状流动通道82内的环形声场157，它绕环状空间的周向是不变化的。最好将距离159设定为约λ/2，其中λ是气体中声波波长。
图13以截面形式示出了另一个流动通道，包括一槽121，尺寸h及w(其中w远大于h，如图8和10所示，流体流向纸面)。在环形通道情况下，h值在截止直径之下，并且通过适当设计换能器可抑制沿w方向的离轴波模。
在本实例中，选定计量管5的截面积A。这样最大的平均流速 U - max = Q max A 产生一副频相移，即； [ Q C - U - max - Q C + U - max ] f < 1 其中f为声波的频率，c为声速，1为换能器之间的距离。
这样就改善了流量计的线性度并便于测量。分析表明，减少由于流动而产生的相移Δθ，使Δθ＜π，能保证测量不受流速分布的影响，增加流量计的线性度。保留相移副频可以使同一探测窗用于上游或下游，并因而降低对换能器响应/启动的敏感度。但是，采用无副频相移的区域A已取得了较佳的可接受的特性。

Claims (9)

1.一种流体流量计，包括：一对沿流体流动方向隔开的换能器(8，9)；使通过所述换能器以双向发送的声信号穿过流体的传送装置(20)；以及通过监测由换能器接受到的声信号之传播时间而确定有关流体流动信息的处理装置(22)，其中换能器之间的空间的一部分限定出一由流动结构(5)组成的流径，所述流动结构(5)具有若干沿流动方向轴向延伸的平行流体通道(51，52；61，62；71，72；)，通道的横截面直径以下述方式选出，使得基本上只有平面波的声波由流体传送过通道，对于总的体积流量来说，在工作条件下，流体如此流过每一通道，即通过该通道的体积流量与所述总的体积流量之比是基本恒定的。
2.如权利要求1所述的流体流量计，其特征在于，所述流体是以切向射入一进口腔(6)内，以在该腔内产生一旋转的流体流，且在流动通道的轴向基本无速度分量。
3.如权利要求1或2所述的流体流量计，其特征在于，所述通道具有基本为圆形的截面。
4.如前述权利要求之任何一项所述的流体流量计，其特征在于，上述通道之间的空隙(33)被填实，以阻止流体流过。
5.如权利要求4所述的流体流量计，其特征在于，上述通道布置成紧凑结构。
6.一种流体流量计，包括：一对沿流体流动方向隔开的换能器(8，9)；使通过所述换能器以双向发送的穿过流体的传送装置(20)；以及通过监测由换能器接受到的声信号之传播时间而确定有关流体流动信息的处理装置(22)，其中换能器之间的空间之一部分限定出一由基本为环形流动通道(82)组成的流径，所述换能器也具有一对应的环形形状。
7.如前述权利要求之任一项所述的流体流量计，其特征在于，上述这些通道距一条沿上述流径延伸的中央轴线以大致相等的径向距离间隔布置。
8.如前述权利要求之任一项所述的流体流量计，其特征在于，流动结构分别具有与进来的声信号成一角度的斜削平状表面。
9.一种如前述任一权利要求所述的气体流量计。
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