CN1926409A - 液体流和/或者气体介质的超声测量方法以及实施其的装置 - Google Patents

液体流和/或者气体介质的超声测量方法以及实施其的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及测量工程。所述发明的目的在于增加液体和/或者气体介质流速测量的精度。出于此目的，本发明的方法包括：在可测量介质的上游和下游发射超声振荡，在接收横过所述介质的振荡中，将所述振荡转换为电信号，在分析电信号以确定上游和下游振荡转变时间之间的差异，用于使用至少两个可逆电声换能器计算介质流速，每个可逆电声换能器在不同的横截平面上具有等于或者大于60度的顶角的方向图，并以方向图轴线基本垂直于管路的纵向轴线的方向图轴线的方式设置在管路测量部分上。

Description

液体流和/或者气体介质的超声测量方法 以及实施其的装置
技术领域
本发明涉及测量技术，特别地涉及液体流和/或者气体介质的超声测量方法以及实施其的装置。
背景技术
公知基于在一个电声通道中的两个同步环(sync ring)的同时操作的用于流速超声测量的方法，一个在流下游操作，另外一个在流的上游操作(参看USSR Author Certificate No.802709，Int.Cl.G01F1/66，1981)。
但是公知的方法不能够提供流速的测量的足够的精度，基于所述精度，就可以了解液体流和/或者气体介质。
就技术要素，与所提出的方法最接近的现有技术是用于测量流的超声频率脉冲方法，包括在一个测量通道中形成两个同步环，相对将被测量的下游和上游的介质流切换下游超声振荡辐射，接收通过所述介质的振荡，并将它们转换为电信号，此处各同步环中的电信号通过通信线路传输，接着测量各同步环中信号频率，以及根据测量频率的差异确定流的值(参看俄国专利No.2104498，Int.Cl.G01F1/66，1993年2月16日)。
但是，公知的方法不提供介质流测量的足够的精度，因为只根据从一个换能器(transducer)直接通过到另外一个换能器的超声振荡所转换的电信号的分析结果来执行测量，这减小了所述方法的功能性，并不能在管横截面中的不同点中提供流速的确定。
公知的超声频率脉冲流量计包括：流量变送器，所述流量变送器以安装到管路的测量部分上的两个电声换能器的形式所形成并通过通信线路与电子模块相连接；以及平行于通信线路的输入和输出而安装的异步开关(参看俄国专利No.2104498，Int.Cl.G01F1/66，1993年2月16日)。
但是，所述公知的装置不能提供介质流的测量的足够的精度，因为其不提供确定管横截面的不同点中的流速。
就技术要素而言，与所提出的现有技术装置最接近的是超声流量计，包括第一和第二压电发射器(emitter)，所述发射器在与其轴线成角度上安装在管路的测量部分上，通过第一倍频器与第二压电发射器相连接的功率放大器、连续波振荡器、两个滤波器、与相位计的第一输入相连的第一移相器，与相位计的第二输入相连的第二倍频器，所述第二倍频器的输出与指示器相连接，第一和第二压电接收器，第一和第二限制放大器、第二移相器、调制器和方波发生器(参看USSR Author Certificate No.1599659，Int.Cl.G01F/66，1987年8月22日)。
但是，此公知装置不提供对物质流的测量的较高的精度，因为只对管路的测量部分中的超声振荡的通道的一个方向进行测量，而没有在另外一个方向上进行。由此不能提供沿着管横截面的流速的正交线图(epure)的测量。
此外，在公知的技术方案中，在超声换能器的方向图的轴线不垂直于管路的纵向轴线，外辐射表面没有与管路的内表面相组合。
此导致扭曲流的轮廓的中空的形成并收集污染物。
发明内容
本发明的基础是这样的任务：由于液体和/或者气体介质的轮廓(profile)的扭曲的减小而增加液体和/或者气体介质流的可靠性和精确测量，并消除污染物。
此任务通过这样的事实来解决，根据第一发明，一种用于液体和/或者气体介质流的超声测量方法，包括：相对将被测量的介质流下游或者上游辐射超声振荡；接收通过介质转换为电信号的振荡，以及在将被测量的介质上游或者下游上辐射超声振荡，接收后续转换为电信号通过所述介质的振荡；分析所述电信号，以确定超声振荡通过上游和下游的时间差异，用于计算介质流，其中使用至少两个可逆电声换能器(transducer)，它们每个在不同的横截面中具有不小于60度的射束角(beam angle)的方向图(directional diagram)，并安置在管路的测量部分上，其方式是方向图的轴线主要垂直于管路的纵向轴线，第一可逆电声换能器相对第二下游在不大于2.5D的距离上移动，D是管路的直径，其中所述分析就从一个换能器直接通至一个换能器的超声振荡转换的电信号和/或者从管路的内表面通过单个和/或者多个反射的超声振荡转换的电信号来执行。
根据第二发明，提供了一种超声流量计，包括：用于形成和分析电信号的块，所述块电学连接到至少两个可逆电声换能器，每个所述可逆电声换能器具有用于辐射和接收的方向图，在横截面中射束角不小于60度，并被安置在管路的测量部分上，其方式是方向图的轴线主要垂直于管路的纵向轴线，第一可逆电声换能器在不大于2.5D的距离上相对第二下游移动，D是管路的直径，其中各可逆电声换能器的外辐射表面(radiatingsurface)主要与管路的内表面组合，除了第一和第二可逆电声换能器被安置在管路的一个母线(generatrix)上，提供用于在n重反射(n-foldreflection)之后超声振荡脉冲从管路的内表面而从一个通至另外一个，其中n是直到20的整数，第一和第二可逆电声换能器被安置在管路的不同的母线上，提供用于让超声振荡脉冲从管路的内表面直接地和/或者在m重反射之后从一个通至另外一个，其中m是直到20的整数，此外，用于形成和分析电脉冲的块包括电学连接到至少两个通道收发器的控制器、两个ADC、脉冲发生器、指示器和接口块，脉冲发生器电学连接到通道收发器，每个通道收发器相互连接到对应的ADC，和连接到块的对应电连接输入-输出，用于与可逆电声换能器一起形成和分析电脉冲。
本发明的要素在于以上述方式所提出的装置的实现允许实现必要的操作顺序，因为其提供了沿着管横截面的流速线图的测量，这显著地增加了测量精度。
此外，各可逆电声换能器的外辐射表面与管路的内表面的组合消除了中空(“凹部”)的形成、流的轮廓的扭曲以及污染物。
附图说明
图1显示了所提出的装置的结构，以及其功能块视图；
图2-4显示了定位电声换能器的变化。
具体实施方式
用于液体和/或者气体介质流的超声测量的方法包括：相对将被测量的介质流下游或者上游辐射超声振荡；接收通过介质转换为电信号的振荡，并存储它们；以及在将被测量的介质的上游或者下游辐射超声振荡；接收通过介质、后续转换为电信号的振荡并存储它们，以及分析所述电信号以确定在下游和上游通过超声振荡的时间的差异，用于计算介质流。
必须注意，至少使用两个可逆电声换能器，它们每个在不同的横截平面中具有不小于60度的射束角，并被定位在管路的测量部分上，其方式是方向图的轴线主要垂直于管路的纵向轴线，第一可逆电声换能器相对第二下游在不大于2.5D的距离上移动，D是管路的直径。
所述分析对从直接从一个换能器通至一个换能器的超声振荡所转换的电信号和/或者从管路的内表面从通过单个和/或者多次反射的超声振荡的电信号所执行。
超声流量计包括用于形成和分析电脉冲的块1，所述块1电学地连接到至少两个可逆电声换能器2、3，每个在不同的横截面中具有不小于60度的射束角，并被定位在管路的测量部分4上，其方式是方向图的轴线5主要地垂直于管路的纵向轴线6。
第一可逆电声换能器2相对第二3下游在不大于2.5D的距离上移动，D是管路的直径，它们每个电学连接到用于形成和分析电脉冲的块1。
各可逆电声换能器2、3的外辐射表面主要与管路的内表面组合。
第一和第二可逆电声换能器2、3可以定位在管路的母线上，提供了在n重反射之后从管路的内表面、超声振荡脉冲从一个通至另外一个，其中n是直到20的整数。
此外，第一和第二可逆电声换能器2、3可以安置在管路的不同的母线上，提供用于从管路的内表面将超声振荡脉冲直接地或者在m重反射之后从一个通至另外一个。
用于形成和分析电脉冲的块1包括：电学连接到至少两个通道收发器8、9的控制器7，两个ADS 10、11；脉冲发生器12；以及指示器13和接口块14。
控制器7可以使用DSP 56309-类型的“Motorola”公司的标准数字信号处理器。通道收发器8、9被设计用于接收和放大来自发生器12以及可逆电声换能器2、3的电信号。作为接口块14可以使用“Maxim”公司的集成电路MAX 1480。
脉冲发生器12电学连接到通道收发器8、9，每个通道收发器8、9相互连接到对应的ADC，和连接到块1的对应电连接输入-输出15-1和15-2，用于与对应的可逆电声换能器2、3形成和分析电信号。
所述装置包括可以安置在块1中以及其之外的电源块(图1中未示出)，用于形成和分析电脉冲。
作为可逆电声换能器，可以使用日本公司“Murata”的MA 40系列换能器。
所述装置以下述方式操作。
根据写到控制器7的ROM中的程序驱动发生器12，从其输出之一产生矩形脉冲至通道收发器8的输入，从通道收发器8的输出，放大的电信号到达可逆电声换能器2。最后者在不同的横截面中辐射具有不小于60度的射束角的方向图的超声振荡。
必须注意对于在不同的横截面中具有方向图射束角α≥60度的换能器2(3)的超声振荡的整个束只用作从内表面直接或者在“n”或者“m”重反射之后落入换能器2(3)中的射束。向下游将以一重射束16反射通过将被测量的介质流的下游的超声信号到达换能器3，从所述换能器3的输出，电信号到达通道收发器9，所述通道收发器9将此信号放大并将其传输到ADC 11。从ADC 11的输出，数字化的信号到达控制器9并存储在随机获取存储器中。相似地，在脉冲从发生器12到第二通道收发器9以及从其输出到可逆电声换能器3之后，在将被测量的介质流的上游发生超声振荡辐射，以及它们是沿着束16的返回路径到达电声换能器2。
从最后的电信号的输出通过输入-输出15-1以及通道收发器8到达ADC 10，以及进一步到达控制器7的RAM中。在控制器7中，发生所接收的电信号的分析，用于确定下游和上游的超声振荡通过的时间差异。根据此差异，计算液体和/或者气体介质流。在指示器13上显示介质流以及不同技术参数的测量结果。接口块14用于将来自流量计的数据发送到外部网络。
在所提出的流量计中，超声换能器2、3的辐射和接收表面与管路的测量部分4的内表面最大组合，并安置平行于管路的轴线6，这消除了形成中空部(“凹穴”)以及流的轮廓的扭曲。
所提出的结构也具有另外的优点：从超声脉冲的一个射束是区别的n-射束，所述n-射束以相对被发送的信号以不同的时间延迟通过n次，这样实现了n测量通道，所述测量通道允许更为精确地实现流的测量。在具有以彼此一定的距离例如，1.4D，安装到管路的母线上的两个换能器2、3的流量计中，D是管路的直径，所述射束17将是沿着最短的路径行进的第一个，以及从管路的相对壁反射，两个射束将是到来并从管路的壁以两次反射沿着三个弦通过的第二个，它们之一将顺时针到来，第二个将逆时针到来。根据它们之间的时移，控制器7计算流的侧分量。第四和第五射束将是到来并从管路等的壁通过四重反射的射束。等于或者大于60度的射束角被选择以提供沿着弦从换能器2(3)到换能器3(2)经过两重或者更多重反射的射束17、18。
通过控制器7的帮助，计算管路的不同横截面中的速度，确定流的线图，考虑到流涡旋的长度，以及用最小的误差确定介质流。
在安装四个超声换能器2、3、19、20(图4)的情况下，增加测量通道的数目。超声换能器的相互定位的位置的选择通过试验所确定，并依赖于将被测量的介质流的特性。
工业应用性
所提出的技术方案的所描述的优点允许它们在用于测量液体和/或者气体介质流的测量技术领域中具有广泛的商业应用可能性，并当开发不同类型的超声流量计时可以使用。

Claims (5)

1.一种用于液体和/或者气体介质流的超声测量方法，其特征在于，其包括：相对将被测量的介质流下游或者上游地辐射超声振荡；接收通过介质的振荡，转换为电信号，以及在所测量的介质上游或者下游上辐射超声振荡，接收后续转换为电信号、通过所述介质的振荡；分析所述电信号，以确定超声振荡通过上游和下游的时间差异，用于计算介质流，其中使用至少两个可逆电声换能器，它们每个在不同的横截面中具有不小于60度的射束角的方向图，并定位在管路的测量部分上，其方式是方向图的轴线主要垂直于管路的纵向轴线，第一可逆电声换能器相对第二下游在不大于2.5D的距离上移动，D是管路的直径，其中所述分析就从一个换能器直接通至一个换能器的超声振荡转换的电信号和/或者从管路的内表面从通过单个和/或者多个反射的超声振荡转换的电信号来执行。
2.一种超声流量计，其特征在于，其包括：用于形成和分析电信号的块，所述块电学连接到至少两个可逆电声换能器，每个具有在横截面平面中不小于60度的射束角的辐射和接收用的方向图，并被安置在管路的测量部分上，其方式是方向图的轴线主要垂直于管路的纵向轴线，第一可逆电声换能器在不大于2.5D的距离上相对第二下游移动，D是管路的直径，其中各可逆电声换能器的外辐射表面主要与管路的内表面相组合。
3.根据权利要求2所述的超声流量计，其特征在于，第一和第二可逆电声换能器被定位在管路的母线上，提供用于在n重反射之后超声振荡脉冲从管路的内表面从一个通至另外一个，其中n是直到20的整数。
4.根据权利要求2所述的超声流量计，其特征在于，第一和第二可逆电声换能器被定位在管路的不同的母线上，提供用于让超声振荡脉冲从管路的内表面直接地和/或者在m重反射之后从一个通至另外一个，其中m是直到20的整数。
5.根据权利要求2所述的超声流量计，其特征在于，用于形成和分析电脉冲的块包括电学连接到至少两个通道收发器的控制器、两个ADC、脉冲发生器、指示器和接口块，其中脉冲发生器电学连接到通道收发器，每个通道收发器相互连接到对应的ADC，和连接到块的对应电连接输入-输出，用于与可逆电声换能器形成和分析电脉冲。
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