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

圖1所示，可以通過以下方式計算流量Q測量在平行于流體截面的直徑線的多個弦線上的流速以作出流速分布曲線，計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，或通過以下方式對根據(jù)流速分布和直徑變化的截面面積進行二重積分。因此，該超聲波多通道流量測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較短并且流速分布是不對稱的，也可以一定程度精確地測量流量。如上所述，這些超聲波流量測量方法的共同點是使用超聲波測量流速并乘以截面面積以計算得到流量。
超聲波流量計具有以下最大的特點不象其它流量計，用于測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的情況下，流量的測量只能夠被已安裝的成對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的管道部分的制造以及將它運送到工作現(xiàn)場。也不需要用于安裝流量計的法蘭的焊接工作。
將超聲波流量計安裝到已經(jīng)布置好的管道上時需要注意以下事項在使用超聲波多通道流量計的情況下，可以在現(xiàn)場較高可靠性地檢查到流量測量誤差。因為使用超聲波測量在多個弦線上的流速，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的計算編程誤差δSW。
并且，如果通過傳送時間差分方法測量出在弦線上的流速，可以借此檢查出超聲波傳送時間t1和t2、測量誤差δt1和δt2、時間差分Δt＝t2-t1的誤差δΔt、傳送長度L的測量誤差δL和在L上投影距離d＝Lcosφ等，由此來確定流速測量誤差δV。與此相似，能夠直接測量到流量測量誤差δQ，并且最大的流量測量誤差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。已知的用于測量流速的傳送時間差分方法如下V=L22dΔtt2-t1----(5)]]>因此，δV的計算公式如下δv=(2δL+δd)+δt12+δt22+δΔt2=(2δL+δd)+2δt1,22+δΔt2---(6)]]>其中，δL和δd是被輸入到流速計算邏輯處理器或微計算機中的間隔距離L和d的測量誤差。L和d的符號在流速測量期間不會變化。但是，傳送時間測量的誤差δL和δd被一個平均方差所代表，因為偶然誤差部分較大。
使用用于根據(jù)不同的流速分布曲線來計算表達式(2)和(3)的計算機，能夠獲得計算編程誤差δSW。因此，能夠高可靠性地檢查出測量誤差δV和δSW，但是如果在現(xiàn)場安裝有超聲波流量計，很難準確地檢查流體截面測量誤差δS。為此，因為δS變得較大，所以增加了流量測量誤差。其結(jié)果如下如果流體截面是一個理想的圓形，其截面S如下S＝πD2/4 (7)其中，D是管道的內(nèi)徑。
但是，不能夠直接測量已經(jīng)布置好的管道的內(nèi)徑。最簡單的方法是使用制造商提供的管道的內(nèi)徑來計算截面面積，但是內(nèi)徑可能與已經(jīng)布置好的管道內(nèi)徑不同。為此，不可能確實截面面積S的流體截面測量誤差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量得到。管道的截面也不可能是完全的圓形，因為管道可能在儲存、運輸和布置工作中產(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的測量誤差δD可能回較大地增加。流體截面測量誤差δS如下δS＝2δD(8)如果D＝600mm，和它的絕對誤差ΔD＝8mm，δD＝(8/600)×100≈1.34％。流體截面測量誤差δS如下δS＝2×1.34＝2.68％因此，即使精確測量到流速，不可能將流量的測量誤差減小到小于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量流量，很困難精確地測量到流體截面面積S。此外，流體截面測量誤差δS變大，所以流量測量的誤差δQ也會加大。
當通過表達式(3)的雙重積分根據(jù)超聲波多通道流量測量方法來計算流量Q時，假設截面S是圓形的，使用了函數(shù)S(r)(r是測量的半徑)。如果截面S是橢圓而不是圓形時，雙重積分誤差具有較大的誤差。當考慮流速分布曲線V(r)位于間隔-R和+R之間，如圖1所示，由于D＝2R的測量誤差δD，會出現(xiàn)雙重積分誤差。
本發(fā)明的一個目的是提供一種超聲波多通道流量測量方法，當多個成對的傳感器被安裝到已經(jīng)在現(xiàn)場布置好的管道上時，其在管道內(nèi)截面面積不能被測量的條件下，能夠顯著地減少流量的測量誤差。
根據(jù)本發(fā)明，一種超聲波流量測量方法包括以下步驟以一種方式測量管道的內(nèi)徑，即從一個在能估計范圍之內(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；測量具有測量的內(nèi)徑的理想圓截面的流量QI，該測量的內(nèi)徑在超聲波多通道流量測量方法的基礎上測量得到的根據(jù)流速分布曲線計算剩余截面的流量QII并將流量加到流量中以計算總流量Q。因此，該方法不但能夠測量在管道的內(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量在不能測量的管道的內(nèi)徑條件下的流量。
具體來說，當多個成對傳感器被安裝到已經(jīng)布置好的管道上和實現(xiàn)超聲波多通道流量測量方法時，可以通過下式得到作為管道標準提供的內(nèi)徑的可預測最大偏差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量方法，對具有內(nèi)徑D的諸如理想圓形截面SI＝πD2/4進行測量可以得到流量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)]]>對應于剩余截面SII根據(jù)流體流速分布曲線計算出流量QII，并且將其與QI相加以便測量總流量Q?？偭髁縌按下式得到Q＝QI+QII(11)在這個情況下，假設QII誤差是δQII，對總流量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量得到QI。
下面將參考附圖，對本發(fā)明進行詳細描述，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量方法的原理視圖；圖3是表示在流動截面的對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截面平均流速VSI和VSII的比率VSII/VSI和ΔR/RS之間的一個流動截面的函數(shù)曲線的視圖；圖5是表示了在截面SI和橢圓形截面SII中的每個流量QII和QI的比率QSII/QSI和ΔR/RS之間的一個流動截面的函數(shù)曲線的視圖；圖6是表示了一個在非對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的表達式中，可能會較大地增加截面誤差。在這種情況下，多個成對的傳感器1i和2i被安裝以強迫具有半徑R＝RS-ΔR＝RS(1-ΔR/RS)的理想圓的圓周線小于管道標準的內(nèi)徑RS以對應于其傳送/接收表面。RS是管道標準中所提供的內(nèi)徑DS的一半。在這個時候，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)來計算ΔR。
ΔR＝α(ΔD/2+a+Δa) (13)其中，α是預備系數(shù)，是在如果ΔD、Δa的可靠性較低時，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點測量管道的外徑。
在上述獲得ΔR的基礎上，成對的傳感器1i和2I的安裝角度φi和傳感器插入到具有半徑R＝RS-ΔR的圓周線上的長度1i按照下式計算1i＝ΔR/sinφi(14)在該表達式的基礎上，成對的傳感器被安裝到管道上。此后，流體在管道中充滿，借助于三點方法測量音速C并且測量在成對傳感器之間的超聲波穿過時間ti以計算在成對傳感器之間的間隔Li＝C·ti，其中Li的測量方法在1996年7月14日公布的美國專利第5,531,124號和在1998年7月14日公布的美國專利第5,780,747號中被公開，根據(jù)Li的計算結(jié)果，判斷傳感器的穿過/接收表面是否對應于具有半徑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，可以使用成對傳感器1i和2i和在成對傳感器之間的間隔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)假設在截面SI內(nèi)的平均流速是VSI，流量QI通過下式進行計算QI＝SI·VSI＝πR2S[1-(ΔR/RS)2]·VSI(17)不能通過超聲波測量的截面SII如下式計算得到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如下式進行計算QII＝πR2S[1-(1-ΔR/RS)2]·VSII(19)其中VSII是不能測量得到的值。只能使用流速分布曲線計算出該值。
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以及在正常狀態(tài)下流速的分布是對稱的。Y坐標是ΔR/R，X坐標是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。
通過將由超聲波測量得到的流量QI乘以a得到流量QII。因此，總流量按下式計算Q＝QI+aQI＝QI(1+a)(22)當ΔR/RS＝0.0025∶0.05時，a＝QII/QI＝0.0006∶0.016。當內(nèi)徑DS＝1000mm和ΔR/R＝0.05時，ΔR＝25mm。如果QII的計算誤差為δQII＝20％，并且ΔR/RS＝0.05時，可以通過以下的表達式(12)得到由于δQII而產(chǎn)生的流量Q的測量誤差組分δIIQ=δQII1+Q1QII=δQII1+1a----(12)]]>
因此，如果將δQII＝20％和a＝～0.016替代到表達式(12)，δQII＝0.315％。如果ΔR/RS＝0.025，δQII≈0.14％。在此，QII的計算誤差不小于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％(參考表達式9)。在這種情況下，截面S的計算誤差δS意味著2δD＝5-10％。這意味著流量δQ≥(5-10)％。如果在截面SI中的超聲波測量誤差δQI為1％，總流量測量誤差如下式所示δQ＝δQI+δQII＝1.14～1.315％但是，如果根據(jù)傳統(tǒng)的超聲波流量測量方法δS＝5-10％，則δQ≈6.0-11％。
參考圖6，在多個弦線上測量的流速分布曲線是非對稱的布置。此時，沒有測量的部分的平均流速按下式計算VII≈(VII1+VII2)/2 (23)如圖6所示，VII2＜＜VII1。結(jié)果，它和對應于對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量流體流動截面的區(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)明能夠增強流量測量的精度。
權(quán)利要求
1.一種超聲波多通道流量測量方法，用于測量在管道的流體截面中分割的多個弦線上的流速，包括以下步驟測量截面SI的流量QI，該截面SI對應于減去ΔR的半徑R，如果管道的內(nèi)徑不能被直接測量并且內(nèi)徑是不可忽略的，其中ΔR是在管道標準中提供的半徑RS的最大偏差、腐蝕阻力層的厚度以及偏差Δa的總和；計算通過超聲波不能被測量的截面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量方法，其特征在于安裝多個成對的傳感器，使傳感器的表面通過 被插入到管道中，以對應于具有R的圓的圓周線，測量在成對傳感器之間的間隔Li，以下面的方式得到Li，即將在成對的傳感器之間的超聲波穿過時間乘以音速C，然后判斷并調(diào)整成對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量方法，其特征在于使用通過超聲波多通道流量測量系統(tǒng)在多個弦線上測量的速度Vi，得到流速分布曲線，計算從管道壁面的0和ΔR之間的平均流速VII并且替代到表達式 中以獲得腐蝕阻力層厚度a，在算術(shù)邏輯處理器中計算流量Q，其中Q＝QI(1+a)，其中的表達式如下a=π(RS2-R2)πR2•VIIVI]]>
全文摘要
一種超聲波流量測量方法包括以下步驟:以一種方式測量管道的內(nèi)徑,即從一個作為管道尺寸的內(nèi)徑的最大偏差中減去腐蝕阻力層及其偏差厚度;測量具有測量的內(nèi)徑的理想圓截面的流量QI,該測量的內(nèi)徑通過超聲波多通道流量測量方法得到;根據(jù)流速分布曲線計算剩余截面的流量Q
文檔編號G01F1/66GK1344913SQ0110009
公開日2002年4月17日 申請日期2001年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月15日
發(fā)明者張學壽 申請人:海德羅索尼科國際有限公司, 國際海德羅索尼科有限公司