CN1201141A

CN1201141A - 用于夹紧式换能器、具有正方形或矩形横截面的短管部件以及流量测量的方法

Info

Publication number: CN1201141A
Application number: CN98106180.XA
Authority: CN
Inventors: 道格拉斯·S·巴摩尔; 约瑟·巴摩尔
Original assignee: DOGRASS S BAMOL
Current assignee: DOGRASS S BAMOL
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1998-12-09
Also published as: DE19823165A1; US6026693A

Abstract

用于***到一适于安装一超声波流量测量换能器的管道内的装置,在较佳实施例中该装置包括两个适于连接至一管道内的凸缘,一连接在两凸缘之间的中心件,该两凸缘其中具有用于液体流过管道的中心开口,该中心件是空心的,用于使来自管道的液体流动通过,并通过凸缘内的开口与管道相通,该中心件具有大致呈正方形或矩形的横截面,还具有一大致平坦的外表面,该外表面适于在其上安装至少一对超声波发射及接收流量测量换能器。

Description

用于夹紧式换能器、具有正方形或矩形横截面的短管部件以及流量测量的方法

本发明涉及流量测量装置及其方法，尤其涉及使用超声波的能量来确定流量的流量测量装置及其方法。

已知有使用超声波换能器，尤其是多种夹紧式非干涉型换能器的流量表。例如，纽约豪帕尔杰(Hauppauge)的Controlotron公司制造的流量表，该流量表具有夹紧在管线的管道上、用于非干涉地确定管线内的流量的换能器。根据这些类型的流量表，超声波换能器固定在管壁上，超声波信号发射至管壁内，进入液体，并经过在管道内流动的液体。然后，斜射地对着管道发射声波通过管道内的液体，利用声波能量的上游通过时间和下游通过时间的时间差来根据已知的原理确定流速。例如，请参阅美国专利第4,232,548和5,453,944号。尤其，流速是由下列方程来确定的：VF＝KΔt/TL，式中VF为流速，K为以容积/时间为单元的尺寸校准(calibration)系数，Δt为所测的上游通过时间减去下游通过时间的时间差，以及TL为所测的平均的上游通过时间和下游通过时间。

这种换能器可为如美国专利第3,987,674号中所公开的宽射线通道类型。通过适当选择相对于管道轴线的换能器安装角度以及适当选择换能器壳体的材料，宽射线换能器与管道的共振频率及相位速度相匹配。从根本上而言，它需要选择角度及制成换能器壳体的材料，这种换能器壳体所具有的纵向波型(mode)声波速度小于管道或者导管材料的剪切波型速度。这些选择是必要的，以便可以调节换能器壳体内声波能量的相位速度，以使该速度与管道的剪切波型速度相匹配。

正如本技术领域中众所周知的，可将换能器安装在管壁的相对部分上，或者通过利用来自于相对壁部分的反射，还可将他们安装在管道的同一侧上。

已知当液体流过管道时，雷诺数N_R影响液体流过管道时的轮廓。该轮廓是指通过管道横截面积的速度矢量的轮廓。已知在稳定的状态情况下，管道中心的速度一般大于管壁附近的速度。另外还已知的是，雷诺数越大，则流动轮廓越平整。诸如管道直径、粘度以及流量之类的所有因素都影响雷诺数N_R的确定。

雷诺数也决定着层流向湍流的转变。通常，这转变一般发生在雷诺数为2000至4000之间。

稳定状态的流动轮廓的问题在于，体积流量的确定并不是与雷诺数无关的。由于流量取决于雷诺数，因此除非利用为本技术领域中的熟练人员所知的高斯求积分的弦求和技术，否则很难获得正确的流量。为了精确地确定流量，使用高斯求积分的弦求和技术是很有用的，这是由于此技术可使流量的确定相对不依赖于雷诺数。

当液体流动呈现一种非平整的流动轮廓时，一般采用高斯求积分的弦求和来确定其流量。当存在着非平整的流动轮廓时，可以采用该技术，以便在超声波流动测量换能器输出的基础上确定其真正的流量。当流动轮廓呈现平整状态时，则不需要采用该技术。为了精确地确定流量，最好管道内的整个流体可由超声波能量来透射。倘若采用多个换能器来透射流体，则必须将来自于多个换能器的结果适当相加。假定被用来确定流量的超声波换能器完全透射管道内的流动轮廓，当流动轮廓呈非平整状态时，则可以采用高斯求积分的弦求和技术来确定其正确的流量。由于要在圆形管道内建立弦透射需要将换能器***至液流内，从而引起不等的弦长度以及不等的检测容量，因此需要高斯求积分的弦求和技术。倘若流动轮廓几乎是平整的，则高斯求积分的弦求和技术就不是很必要的了，但如果仍应用该求和技术的话，则将补偿轮廓的形状。另外，通过简单地对由换能器所透射的若干平行路径简单地取平均值可以获得流量，但是这仅仅适用于长度及容量都相等的路径。

使用高斯求积分的弦求和技术是有些复杂，它需要单独处理每一路径的数据，而不依靠该技术，有利于精确地确定流量。

现有技术中超声波流量表的另一个问题在于，接收换能器上接收到了不想要的管道“干扰”信号，该干扰信号没有穿过管道内的液体，却通过管壁传播到了接收换能器。虽然可以消除这些不想要的管道干扰信号的一部分，但是倘若它们的到达与液态信号的到达存在着一个时间差，或是不同步的话，则由于干扰信号可能与穿过管道内液体的接收信号在大约相同的时间发生，因此有些干扰信号是无法消除的，于是导致所需的接收信号的不可靠，和可能不准确地确定时间，从而造成不正确的流量。

本发明涉及一种用于使夹紧式超声波换能器能够精确地确定一管道内的体积流量的技术与装置。

此外，本发明涉及一种与雷诺数无关，而不用高斯求积分的弦求和来确定流量的技术与装置。

本发明提供了一种用于***至一管道内的短管部件，该短管部件大大地平整了管道内液体的流动轮廓，以便在不需要高斯求积分的弦求和或者其它的流动轮廓补偿技术的情况下，超声波换能器可以精确地测量流量。

本发明还提供了一种装置与技术，从而超声波夹紧式换能器可完全透射流动区域，另外，提供了一种装置与技术，从而夹紧式换能器可替换地安装在管道上，以产生若干超声波能量的平行射线，以便以一种方式来透射管道内的流体，这种方式能够进行平行求和，而不必进行各个路径的高斯弦求和。

本发明还能消除不需要的干扰信号，该干扰信号通常穿过管壁传播，并且会使穿过管道内液体传播的所需的接收信号不可靠。

本发明还能通过相关的技术精确地校准管道内的流量表以及能够确定流量。

一方面，本发明包括用于***到一适于安装一超声波流量测量换能器的管道内的装置，该装置包括：两个适于连接至一管道内的连接件；一连接在两连接件之间的中心件，两连接件具有其中用于液体流过管道的中心开口，该中心件是空心的，用于使来自该管道的液体流动通过，并通过连接件内的开口与管道相通，该中心件具有至少两个大致平坦的相对部分的横截面；该中心件具有一大致平坦的外表面，该外表面适于在其上安装至少一对超声波发射及接收流量测量换能器。

该中心件最好具有大致呈正方形或矩形的横截面，虽然它只需要声波能量撞击到的两个相对部分是大致平坦的。

另一方面，本发明包括一种用于确定管道内液体的体积流量的方法，包括以下步骤：将一部件连接至一管道内，该管道具有一空心件，该空心件用于使来自管道的液体流动通过，并与管道相通，该空心件具有有着至少两个大致平坦的相对部分的横截面，将至少一对超声波发送及接收流量测量换能器安装在该空心件的大致平坦外表面上，用这对发送及接收换能器的声波能量透射流动在空心件内的液体，并在来自于定时询查(polling)至少一对发送及接收换能器的数据的基础上计算体积流量。

再一方面，本发明包括一种用于平整一管道内液体的流动轮廓的方法，包括以下步骤：将一部件连接至管道内，该管道具有一空心件，该空心件用于使来自管道的液体流动通过，并与管道相通，该空心件具有有着至少两个大致平坦的相对部分的横截面。

又一方面，本发明包括一种用于减小通过超声波流量测量装置内的管壁传播的不想要的声波信号，包括以下步骤：将一部件连接至管道内，该管道具有一空心件，该空心件用于使来自管道的液体流动通过，并与管道相通，该空心件具有有着大致正方形拐角的横截面。

以上所描述的也是一种用于衰减在管壁内传播的不想要的干扰信号的方法与装置，以及一种用于校准流量测量***的方法。

通过参阅附图并结合下文的详细描述，本发明的其它特点及优点将变得一目了然。

参阅附图结合下面详细的叙述来更详尽地描述本发明，其中

图1是用于***到管道内的本发明装置的一个实施例的立体图；

图2是图1所示装置的局部纵截面的侧视图；

图2A是沿着图2的线2A-2A所视的端视立体图；

图2B是沿着图2的线2B-2B所视的端视立体图；

图2C是沿着图2的线2A-2A所视的端视平面图；

图2D是沿着图2的线2B-2B所视的端视平面图；

图2E是本发明装置的凸缘的侧向截面图；

图3是有利于说明本装置操作的图2所示装置的端视图；

图4是图1所示典型装置的俯视图；

图5是本发明装置如何通过平整流动轮廓来进行操作的示意图；

图6是本发明装置的侧视图，示出了该装置内用于协助确保该装置中的流动轮廓基本平整的结构；

图7是沿着图6的线7-7所视的横截面图，示出了用于通过增加动量混和以引起液体漩涡的所增加的流动轮廓平整装置；

图8是用于解释本发明是如何减小“管道干扰”的、表示传送与接收信号的时序图；

图9A至图9D是本发明装置其它的横截面例子；

图10是本发明装置包括一种用于衰减管道干扰的结构的侧视示意图；

图11是图10所示衰减结构的立体图；

图11A是另一种衰减结构的立体图；

图12是通过本发明较佳实施例的横截面图；

图13是图12所示较佳实施例的俯视图；

图14是通过本发明较佳实施例的一种变化型式的横截面；

图15是通过本发明较佳实施例的另一种变化型式的横截面；

图16是本发明换能器的侧视图，表示了一种迷宫式(labyrinth)结构，这种迷宫式结构有利于阻尼并衰减由换能器的晶体所产生的超声波信号的内部反射；

图17是图16所示的换能器的一个实施例的简化立体图；以及

图18所示为换能器结构的另一个实施例。

现在请参阅附图，图1是本发明装置的一较佳实施例的立体图。本发明装置包括一用于***到管道内的“短管”部件10，供安装各种夹紧式超声波换能器之用，该换能器由标号20来表示，特别是美国专利第3,987,674号中描述的宽射线(beam)换能器。该短管部件包括用于与管道相连的第一和第二连接件，例如，凸缘30和40，每一凸缘具有用于将其连接至管道的固定件，如图所示为螺钉孔42。凸缘30和40分别包括用于使管道内的液体流过的开口36和46。这些开口在外部凸缘表面37、47上的大小最好和短管部件10***的管道的直径一样大小。

另外，可以不采用通过螺钉来进行安装的凸缘30和40，取而代之的是将本发明的短管部件10焊接至管道，并具有适当的焊接连接件。

两个凸缘或者焊接连接件30和40通过一部件50连接在一起，该部件50最好具有正方形或者矩形的横截面。此横截面在其拐角上最好是渐进地呈圆形。另外，除了正方形或矩形的横截面之外，部件50也可具有其它形状的横截面，只要位于来自于换能器的超声波信号的射线上的相对部分基本平坦即可。例如，可以采用梯形或多边形的横截面。图9A至图9D所示为适合的横截面例子。

在每一连接至部件50的连接件30、40的内表面39、49上，开口36、46具有部件50的形状(例如，正方形或矩形)，该部件50的形状具有小于管道的净(net)区域，名义上为内切在圆内的正方形面积与圆形面积之比。参见图2C。

凸缘30、40最好在侧边39、49上具有凹槽31、41，侧边39、49具有部件50的横截面，以便部件50可以容纳在凹槽内。然后，部件50最好焊接至部件30、40。

开口36、46最好呈似截头圆锥形(如图2A所示)，逐渐缩小成为部件50的横截面的正方形或矩形开口(如图2B所示)。因此，通过将短管部件连接至管道内，液体从具有基本呈圆形的横截面的管道流至具有较佳的矩形或正方形横截面的部件50内。正如下文将要描述的，从圆形横截面至部件50的较小净面积的矩形或正方形横截面会平整流动轮廓。此外，可以提供一种漩涡发生装置，以便有助于流动轮廓的平整，这在下文将描述。

如图13和图2A-2E所示，连接件30、40中的开口36、46至少呈部分的锥形，从管道的圆形横截面过渡至部件50的较小净面积的较佳正方形或矩形横截面。这个过渡区也有助于减小液体压力的下降。实质上，在所示的实施例中，流动在一个连接件30、40中的液体从圆锥形开口过渡至位于锥形的轴线中心上的正方形或矩形开口，对于相对的连接件而言则反之。

如图1和图2所示，超声波换能器晶体20可安装在换能器块51上，换能器块51安装至部件50的平坦表面52。如图3所示，这便于允许声波能量基本通过部件50中的整个流体进行完全透射。如图1-3所示，安装有三对超声波换能器晶体，这三对晶体提供三条具有大致相等液量的射线、用于大致完全透射位于部件50中的流体的相等平行的射线60A、60B和60C。另外，可采用一连续的换能器晶体。三条平行射线60A、60B和60C由图3所示的交替的斜线阴影面积来表示。虽然图中所示为三对换能器晶体，但也可采用一对或不同对数的换能器。

倘若整个流动轮廓大致由声波能量来透射，并且透射量相等，于是可以将来自于各对换能器的单独流量测量结果加起来以确定流速。另外，倘若采用一单个晶体，则可使用所产生的平均接收信号。于是，有必要采用补偿(compensate)技术以补偿流动轮廓。

相反，在具有圆形管道横截面的情况下，要获得透射等量的射线是很困难的。不能将来自于各换能器的流量测量结果简单相加，并有必要借助于更为复杂的高斯求积分的求和技术。

如图2所示，一对换能器的每一个换能器20以基本斜线21的形式透射部分的流体，从而向此对换能器的另一个换能器提供反射，以便确定通过时间。正如那些本技术领域中的熟练人员所知的那样，当不利用来自于相对侧壁的反射时，接收换能器也可安装在相对侧壁上。换能器应该为申请人的美国专利3,987,674中所描述的那样为宽射线型式。

如图5所示，本发明的短管部件10平整流速或流动轮廓，从而能够精确地确定体积流量，而无需高斯求积分的弦求和。如图所示，在一种典型的圆形横截面管道的情况下，来自于蓄液池70的液体将流入管道80，最终形成由曲线90所表示的流动轮廓。这是众所周知的规律，是由那些本技术领域中的熟练人员所知的因素所导致的，包括例如，由管壁所引起的摩擦力。实质上，这种流动轮廓是位于管道中心上的流速大于管壁附近的流速。

这种流动轮廓在确定实际的体积流量中引起了问题。倘若完全透射管道，即，提供足够的换能器，以便超声波能量能够完全透射流体，并且该流体呈现非平坦的流动轮廓，倘若弦是不等长且不等量-呈现一圆形管道，可以使用高斯求积分的弦求和来获得精确的流量测量结果。一般，流动轮廓是不平坦的。只有当流动轮廓是平坦或者接近于平坦的时候，才不需要高斯求积分的弦求和。高斯求积分的弦求和技术对于那些本技术领域中的熟练人员而言是熟知的。本发明甚至是在流动轮廓为非平坦的情况下提供了一种减小或者消除应用高斯求积分的弦求和的必要性的装置。

在不实际穿透管道的情况下，为了完全透射管道内的流体，要在一圆形横截面管道上使用超声波夹紧式换能器是很困难的，这是由于管道的圆形横截面的缘故，要提供完全平行的超声波能量路径是很困难的。因此，为了精确地确定流量，有必要用声波能量的平行路径来完全透射管道。

本发明提供了一种用于精确确定体积流量的简易装置。本发明提供了一种便利装置，以便安装用于全部或部分(弦的)透射管道流体的声波换能器。例如，如图所示，采用了三对换能器来完全透射管道流体。由于部件50具有平坦的表面，如表面52，所以安装此三对换能器是极其简单的。部件50的平坦表面52可使换能器安装其上，以便用平行射线路径完全透射流体的横截面。此外，从圆形横截面过渡至正方形或矩形横截面大大地平整了流动轮廓，如图5所示。结果，由于流动轮廓基本平坦，所以一般不再需要应用高斯求积分的弦求和技术，而是采用来自于若干个一起完全透射管道横截面的超声波换能器的信号，确定正确的体积流量。由于流动轮廓基本平坦，所以也不再需要提供非线性流动轮廓的补偿技术，如在通常的圆形管道内那样。

虽然本发明大大地平整了流动轮廓，如图5所示，还可以增加辅助流动轮廓平整装置，例如，图6所示的弧形凹槽或槽沟100，图7所示为其平面图，该弧形凹槽或槽沟通过在液流中形成漩涡来协助平整流动轮廓。这些流动轮廓平整装置确保了短管部件内的流动轮廓更加平整。连接件30、40的锥形至正方形或矩形的过渡促进漩涡的形成，于是提高了流动轮廓的平整。尤其，形成在正方形或矩形横截面与锥形相交的位置上产生的过渡凸缘30、40的渐进弄圆的正方形拐角33、43，当液体通过锥形表面流动至拐角33、43时液体自身会产生漩涡并与流入的液体的动量混和以形成平坦的轮廓。

因此，本发明提供了一种平整流动轮廓的途径。它可在不采用高斯求积分的弦求和以及流动轮廓补偿技术的情况下确定流量。此外，矩形或正方形横截面的部件50的平坦表面提供了一种用于安装超声波夹紧式换能器的便利装置，该换能器可用平行路径声波射线来完全透射位于短管部件内的流动轮廓，从而可以精确的确定流量。

此外，由于部件50的平坦外表面的缘故，本发明还提供了一种用于夹紧超声波换能器的便利装置。

如所述的那样，由于位于本发明短管部件10内的流动轮廓基本平坦，因此减小或消除了应用高斯求积分的弦求和的需要，并减小了对流动轮廓补偿技术的需要。为确保流动轮廓基本平坦，可以采用如图6与图7所示的辅助流动轮廓平整结构，于是确保了流动轮廓基本平坦，并可在不需要通常所需的高斯求积分的弦求和的情况下精确地确定流量。

在使用中，至少有一对换能器安装在本发明短管部件10的表面52上，以便完全透射部件10内的流体。如本技术领域中所知的，定时询查每一个超声波换能器，以便确定上游/下游通过时间差和平均通过时间，用于确定流量。正如本技术领域中的熟练人员所已知的，可以通过一多路流量表来单独测量每一换能器的输出。另外，可以使用单个的通道流量表，并与此同时定时询查多个换能器。然后，简单地进行平行换能器求和，以便精确地确定总流量。

由于位于部件50内的液流的流动轮廓基本平坦，所以不再需要本技术领域中熟练人员所熟知的高斯求积分的弦求和来确定体积流量。由于位于本发明短管部件内的液体的流动轮廓基本平坦，所以也不再需要流体补偿技术。然而，倘若流动轮廓有些不平坦的话，则仍可使用高斯求积分的弦求和以及流动轮廓补偿技术。

图8有利于说明本发明的其它优点。当发送(transmit)脉冲T_X由发送换能器20发送时，横穿管道内液体的接收信号T_RL在一段时间之后在接收换能器20上被接收。这是用来确定通过时间的信号。然而，接收换能器还接收某种不希望有的声波干扰信号，该干扰信号不是横穿液体，而是通过管壁传播。第一个“管道干扰”信号为T_RPN1，该信号从发送换能器直接通过管壁传播至接收换能器。如图8所示，由于一般在T_RL之前接收该信号，所以可以忽略并然后消除它。然而，另一个管壁干扰信号T_RPN2绕着圆形的管壁圆周螺旋形地传播。在接近或者在接收换能器接收所要信号T_RL的时间内可能接收该信号。这在图8中示意出。在图8中可以看到，T_RPN2在T_RL之前被接收。然而，该信号也可在接收T_RL的同时接收，并隐匿在T_RL之中。这个不希望有的信号会引起T_RL的不可靠以及错误地确定T_RL的到达时间，于是导致错误地计算通过时间，并引起错误的液体流速。它还会导致测量结果的偏移(drift)。

根据本发明，因为部件50的横截面不是圆形的，由于在正方形或矩形部件50的拐角上可以基本停止或者减小干扰信号T_RPN2以螺旋形路径传播，所以可以基本消除该信号。

图10、图11和图11A所示为另一种用于衰减管道干扰信号的结构。一衰减装置53与部件50相连。衰减装置53衰减了通过管道材料传播的任何管道干扰信号。图11所示为衰减装置53的一个实施例。如图所示，该装置包括一金属结构53A，该金属结构安装在安装块53B上。金属结构53A与安装块53B最好是由一种类似于部件50的金属来制成的。然而，它们可以是不同的金属，或者诸如适当的塑料之类不同的材料。部件53A可包括许多的孔53C，这些孔是适当地钻孔或者镗孔至部件53A内的。这些孔充满着一种粘滞衰减材料，例如，一种粘滞液体或者诸如胶、焦油、或者一种例如克莱托克斯(Krytox)的吸声油脂(acousticgrease)之类的半液体。部件53的作用是吸收与反射，从而衰减从部件50传播至部件53中任何干扰信号。于是，孔53内的吸声衰减材料作为声波迷宫协助减小接收换能器上接收的干扰信号的幅值。

图11A所示为另一种结构。在这种结构中，声波迷宫由许多的槽53D产生，在这些槽内放置着一种吸声和/或反射声音的材料。结果形成了一种反射迷宫，以便反射进入槽53D之间的空间内的声能被多次反射离开这些槽，每一次都衰减这个信号。

根据本发明，该换能器最好是美国专利第3,987,674号中所描述的宽射线类型的反射器。为了取得本发明短管部件完全的优点，尤其为减小声波传播速度测量结果中的第二数量级误差，最好采用在待审查专利申请号第(203-55)号中的题为“利用相位相关确定出现在液体中的超声波脉冲的方法与设备”中所描述的相关技术。

除了上述优点之外，所描述的管道短管部件具有一附加的优点。由于具有机会将流量测量超声波换能器安装在本发明的夹紧式短管组件上，并将该组件在校准试验室中进行有效的流体测试，因此可以确定在各种流动速率下的输出的校准系数，用于安装在该领域内的流量测量***。由Controlotron公司制造的流量测量***具有一多点校准性能。这意味着在各种流量的情况下，可以确定不同的校准系数，用以计算可能发生在测试仪器的任何部分上的非线性。在测量的校准系数的基础上可以在流量测量***内建立和储存一个建立起来的文件。这个建立的文件也可装到一储存媒体上，例如一磁盘上，该磁盘可随机器运输，以便用户可将数据装到任何的流量计算机内，该流量计算机与短管部件一起校准。

另外，可将流量计算机与其中的数据一起提供给用户，这些数据是与本发明短管部件相连的流量管结合在一起的。在这种方式中，每一用户获得具有校准检验证(certificate)的流量表。由于机器将通过变化的测量的声波传播速度来识别许多液体，因此校准即使对于不同的液体都能维持精确性。校准与雷诺数相关，而不与速度相关。因此，即使当液体变化时，机器将自动维持其校准，并且每一机器提供一校准鉴定。这对于那些需要校准鉴定的某些工业中的用户而言是很有用的。由于在该领域内，校准不是由制造商来控制的，所以不可能具有一种安装在该领域内的一夹紧式***。例如，不能确保用户送入正确的参数，但是在夹紧式短管部件或者流量管的情况下，可以控制所有的因素，因此，制造商能够在使用具有上述短管部件的***的结果的基础上证明流量测量***的校准。

通过以已知的流量将已知的容积或质量流过本发明组件可以校准每一流量测量***。测量的流量可与已知的流量以及对于各种所获的流量的校准系数相比较。于是，可向每一流量测量***提供校准检验证，该校准检验证与本发明的短管部件一起提供给用户。

图12-15所示为本发明各种形式的较佳实施例。虽然上述实施例体现了本发明平整流动轮廓的原理，但已发现，由于本发明短管部件的矩形或正方形横截面，所以需要加固矩形或正方形横截面结构，以便经得住可能遇到的典型液体运载管道内的压力。尤其，由于正方形或矩形横截面，短管部件会受到通常在圆形横截面的管道内不会遇到的应力。在一般的圆形横截面的管道中，所有的应力往往是拉伸应力。相反，正方形或矩形横截面的部件内受到流动液体的内部压力，该应力往往会引起其平坦表面弯曲或者变形。因为距离和流动路径根据压力而变化，所以对于精确地确定流量测量结果产生了有害的影响。解决该问题的方法是使平坦表面的横截面更厚些，但是这样做又存在着一个缺点，即增加了通过管道而不是液体进行直接传播的干扰量。由于在较厚的横截面部件内不能很好地衰减干扰信号，因此这在确定接收的液体信号的到达时间上又引起了问题。此外，较厚的横截面衰减了传播至液体内的超声波信号。

因此，仅仅简单地使短管部件的横截面厚度变厚并不能提供一个适当的解决方法。

根据本发明，解决这个问题的方法是在短管部件的平坦表面上提供一切口或一轨道或若干个开口或轨道，在其中可以安装发送换能器和接收换能器。尤其，可提供内装若干个换能器的多个轨道。

现在请参阅图12和13，图中所示为本发明的一个较佳实施例，其中采用了三对超声波发送以及接收换能器。本发明可具有任何数目的反射器对。参阅图12和13，具有矩形或正方形横截面的短管部件包括四个焊接在一起的部件100、102、104和106。部件106在短管部件的一端上容纳若干个换能器108A、108B和108C，而在短管部件的另一端上则容纳换能器108A’、108B’和108C’。短管部件的部件106具有若干个轨道，例如，机械加工在表面上而成的，每一轨道用于容纳每一个换能器108A、108B和108C以及108A’、108B’和108C’。轨道由110A、110B、110C、110A’、110B’和110C’来表示。图12是沿着图13的线12-12剖切的剖视图。

每一换能器108A、108B和108C以及另一侧上相应的换能器安装在它们各自的轨道内，最好可以沿着轨道在图中所示的箭头方向上移动至多个位置中提供最佳性能的一个位置上。由于部件106已被这些轨道110A、110B和110C以及110A’、110B’和110C’弄薄，于是，由于由这些轨道引起的局部削弱而在短管部件中所引起的压力，部件106将趋于向上弯曲，于是在部件106的上方提供的一结构可以防止部件106变形。这种装置包括至少一个垂直延伸件112，该垂直延伸件与部件106最好是焊接相连。部件100、102、104及106也最好通过适当的焊接技术连接在一起。垂直延伸件112固定在部件114上，部件114与部件106基本平行，并通过适当的方式固定在每一部件112上，例如通过焊接或者如图所示的螺钉来进行固定。如图13所示，部件112可包括多个固定孔116，提供这些固定孔是为了能够通过螺钉118在适当的位置上将部件114固定在部件112上，这些适当的位置是由换能器108A、108B和108C的安装来决定的，短管部件的另一端上的情况与此相似。每一换能器108A、108B和108C以及短管部件另一端上的换能器通过适当的固定装置保持、固定在适当位置上，例如，该固定装置可以是紧固螺钉120，该紧固螺钉可向下拧紧在各个换能器的保护表面上，以便使其保持在适当位置上。

本发明的结构的作用在于防止部件106变形或者弯曲。事实上，部件112和114提供了一种I-横梁类型的结构，这种结构可以防止部件106因短管部件内的内部压力而变形。如图13所示，部件112仅仅需要沿着轨道110A、110B和110C延伸，短管部件的另一端上的情况与此相似。部件114可覆盖换能器上的局部区域。另外，部件114可做得比图中所示的那样更宽些，以便它可以基本覆盖垂直延伸件112的整个长度。

图14所示为本发明只有一对反射器的实施例。如图所示，部件112沿着轨道110延伸，换能器108安装在轨道110内。部件114固定在部件112上，以便适当加固部件106。

图15所示为本发明使用两个反射器108的另一个实施例。一单个部件112安装在反射器108之间，并固定在一平行部件114上。如图12、14和15所示，可提供一包括部件122、123和124的适当外壳121，以便覆盖换能器以及用于部件106的支撑结构。

图16和图17所示为本发明换能器的一种实施例，它可以减小并吸收纵向的内部反射以及由安装在晶体外壳202内的反射器晶体200所产生的波型转换的剪切超声波信号。晶体200安装在换能器块204上。换能器块204具有斜面206，晶体200安装在该斜面206上。该表面以一适当的角度设置，以便超声波信号能以该适当的角度(对于95000in/sec.的纵向声波传播速度一般为59°左右)发送至管壁内，换能器即以该适当的角度安装。沿着换能器块204的顶部表面提供有许多的槽208。参阅图17。在这些槽内装有一种粘滞及超声波能量反射/吸收材料，诸如焦油、胶或者塑料，这种材料适用于声音的吸收和/或声音的反射。如图17所示，图中所示为图16所示的换能器的立体图，不论是纵向波型信号还是剪切波型转换的超声波信号的换能器块/管壁交界面的反射，如图所示都是通过箭头210(纵向波型反射)和212(剪切波型反射)进入到由槽208所构成的迷宫中去的。如图所示，信号是通过容纳在槽208内产生多次反射、在每一反射上发生更大的衰减的声音吸收/反射材料来进行反射的。任何逃出迷宫的信号基本被衰减，以便当该信号重新进入管道时，该信号将具有最小的影响。因此，由反射的超声波信号所引起的干扰信号在由接收换能器接收的信号上将具有极小的影响。

图18所示为另一种实施例，其中槽208A不是从换能器块204的一横向侧边跨至另一侧边。由于粘滞材料，尤其倘若它是一种可流动的粘滞材料的缘故，这是较佳的设置，因为这样可以防止该粘滞材料从位于两侧边上的槽208A漏出。然而，该槽208A比图16和图17所示的从一侧边跨至另一侧边的槽208需要花费更多的机械加工过程。在图16和图17所示的设置中，其中槽是从一侧边跨至另一侧边，倘若槽208内的粘滞材料是可流动的，则需要提供一适当的横向壁来封闭位于两侧边上的槽208。在两个实施例的任何一个实施例中，可提供一适当的覆盖部件214，可将紧固螺钉120安装其上。

根据本发明，如图12-15所示，最好提供多对换能器。由于通过用于部件106的支撑结构所提供的准确性，每一对换能器在一完全相同的路径长度发送超声波信号。另外，只需要电并联连接换能器。在这种方式中，由于每一换能器在由精确相同的弦所构成的横截面内透射流体，所以可以采用普通的弦求和方式，而不采用较为复杂的高斯弦求和方式，高斯弦求和方式只有在路径长度不相等，而且弦的尺寸不同，例如在圆形的管道内时方需使用。

根据本发明，还最好将换能器对放置在管道的同一侧，从而可以利用来自于管道另一侧的反射。这样做的原因在于，路径的数目可有效地为换能器对数目的两倍，即，每一路径包括一反射回路。在这种方式中，***固有地校正流动路径的非直线性。

根据本发明，可开发用于不同尺寸的管道的多个短管部件，例如，用于其直径从2英寸至24英寸的管道。可开发具有不同长度以及适合用于这个范围之内各种管道直径的不同的短管部件。管道直径越大，则一般所需的换能器的数目越多。例如，对于一具有2.375英寸外径的2英寸管道而言，一对换能器是比较适合的。对于较大的管道，例如，一具有8.625英寸外径的8英寸管道，可能需要配备三对换能器。对于更大的管道，例如，一24英寸的管道，可以需要五对换能器。在每一种情况中，通过将换能器放置在位于短管部件的平坦表面内的凹入的轨道内不仅可以满足声波的要求，而且通过提供包括垂直延伸件112以及平行横梁件114的适当结构同时满足所需的压力控制的要求，当必要时，取决于换能器的数目。

虽然在本发明的特殊实施例中已描述了本发明，但是许多其它的变化与修改以及其它的用途对于那些本技术领域中的熟练人员而言是一目了然的。因此，本发明不受在这里已公开的具体内容的限制，而仅仅受到附加权项的限制。

Claims

1.用于***到一适于安装一超声波流量测量换能器的管道内的装置，所述装置包括：

两个适于连接至一管道内的连接件；以及

一连接在所述两连接件之间的中心件，所述两连接件具有其中用于液体流过所述管道的中心开口，所述中心件是空心的，用于使来自所述管道的液体流动通过，并通过所述连接件内的所述开口与所述管道相通，所述中心件具有至少两个大致平坦的相对部分的横截面；

所述中心件具有一大致平坦的外表面，所述外表面适于在其上安装至少一对超声波发射及接收流量测量换能器。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中心件的横截面大致呈正方形或者矩形。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，在所述中心件的每一端上还包括一过渡区，从而所述两连接件内的所述中心开口的形状从所述管道的圆形横截面过渡至所述中心件的横截面。

4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，每一连接件中心开口具有从所述管道的圆形横截面过渡至所述中心件的横截面的圆锥形形状。

5.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述中心件具有一小于接近所述管道的所述连接件的所述中心开口的横截面积。

6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中心件允许至少一对超声波发射及接收换能器安装其上，以便用声波能量大致完全透射流动在所述中心件内的液体。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述中心件上适于安装多对超声波发射及接收换能器，以便用多条平行的声波能量射线完全透射流动在所述中心件内的液体。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中心件具有大致平整流过所述管道的所述液体的流动轮廓的作用。

9.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述中心件大致消除通过一圆形管道的所述管壁从一发送换能器圆形螺旋形地发射至一接收换能器的信号。

10.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括一位于所述中心件的所述平坦表面上的凹槽，所述凹槽用于容纳每一换能器。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，还包括一自所述中心件的所述平坦表面垂直延伸的部件，所述部件接近并平行于所述槽，用于加固所述平坦表面，以抵抗来自于流动在所述中心件内的液体的压力。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括一大致平行于所述平坦表面并与所述垂直延伸件相连的部件，用于进一步加固所述平坦表面，以防止由于流动在所述中心件内的液体的压力而使所述平坦表面变形。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述垂直延伸件具有多个固定位置，用于将所述平行部件固定在其中一个与所述槽内安装所述换能器的位置相对应的位置上。

14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，还包括多条槽，每一条所述槽用于相互并排地安装的一对换能器的各个换能器，一安装在相邻槽之间的垂直延伸件，一安装在所述垂直延伸件的上方、将所述垂直延伸件连接在一起的平行部件。