超声波多通道流量测量方法

摘要

一种超声波流量测量方法包括以下步骤:以一种方式测量管道的内径,即从一个作为管道尺寸的内径的最大偏差中减去腐蚀阻力层及其偏差厚度;测量具有测量的内径的理想圆截面的流量QI,该测量的内径通过超声波多通道流量测量方法得到;根据流速分布曲线计算剩余截面的流量QII并将流量加到流量中以计算总流量Q。因此,如果在不能十分精确地测量流体流动截面和由于管道是椭圆形使管道内径偏差的情况下,本方法能够增强流量测量的精度。

说明书

本发明涉及超声波流量测量技术，特别是涉及在成对的超声波传感器被设置在已经布置在位的管道的情况下，用于增强流量或流率的测量精度的超声波多通道流量测量方法。

一般的在管道中的超声波流量测量方法具有以下一些共同的方面：通过使用超声波测量在流体流动截面上的直径线或多个弦线的流速，并用流速乘以流动截面面积得到流量。例如，如果根据超声波多通道流量测量方法使用超声波在直径线测量得到流速V_D，则流量可通过下式计算：

      Q＝K·V_D·S                      (1)

其中，K是流量系数，K＜1.0，S是流体流动截面。

在K等于常数的条件下可以得到该流量测量方法。换句话说，管道的直线部分必须足够长。并且，还优选雷诺数大于10⁴。

另一方面，尽管流速分布是不规则的并且K不是常数，超声波多通道流量测量方法是众所周知的一种能够高精度地测量流量的方法。

因此，下面公开了典型的超声波多通道流量测量方法和装置：

在199年7月2日授权的美国专利第5,531,124号；

在1996年7月2日授权的美国专利第5,531,124号

在1987年7月25日授权的美国专利第4,646,575号

在1997年7月25日授权的日本专利第2676321号

该超声波多通道流量测量方法具有以下特点：如图1所示，可以通过以下方式计算流量Q：测量在平行于流体截面的直径线的多个弦线上的流速以作出流速分布曲线，计算流体截面的平均流速VS并且将平均流速V_S乘以流体截面面积S，或通过以下方式：对根据流速分布和直径变化的截面面积进行二重积分。因此，该超声波多通道流量测量方法不需要流量系数。

Q＝V_s·S                        (2)或， $>>Q>=>>>\int >\int >>S>>V>>(>r>)>>S>>(>r>)>>dr>·>dr>->->->->>(>3>)>>>s>$

为此，即使管道的直线部分相对较短并且流速分布是不对称的，也可以一定程度精确地测量流量。如上所述，这些超声波流量测量方法的共同点是使用超声波测量流速并乘以截面面积以计算得到流量。

超声波流量计具有以下最大的特点：不象其它流量计，用于测量流量的传感器能够被安装到已经布置好的管道上。换句话说，在超声波多通道流量计的情况下，流量的测量只能够被已安装的成对的传感器的安装来完成。因此，已经开发出用于在管道上安装传感器而不用停止流体流动的技术。特别是，即使在管道内径较大的情况下，能够使在管道布置完成后将流量测量装置安装到位。这意味着，不需要具有较大的容积和重量流量计的管道部分的制造以及将它运送到工作现场。也不需要用于安装流量计的法兰的焊接工作。

将超声波流量计安装到已经布置好的管道上时需要注意以下事项：在使用超声波多通道流量计的情况下，可以在现场较高可靠性地检查到流量测量误差。因为使用超声波测量在多个弦线上的流速，可以写出流速的分布曲线。因此，根据流速的分布曲线的形状，可以检查出截面平均流速V_S的计算编程误差δ_SW。

并且，如果通过传送时间差分方法测量出在弦线上的流速，可以借此检查出超声波传送时间t₁和t₂、测量误差δ_t1和δ_t2、时间差分Δt＝t₂-t₁的误差δ_Δt、传送长度L的测量误差δ_L和在L上投影距离d＝Lcosφ等，由此来确定流速测量误差δ_V。与此相似，能够直接测量到流量测量误差δ_Q，并且最大的流量测量误差δ_QMAX也可以通过下式得到：

δ_QMAX＝δ_V+δ_SW+δ_S                  (4)

其中，δ_S是流体截面测量误差，δ_SW是截面平均流速或V_S和S的双重积分的误差。已知的用于测量流速的传送时间差分方法如下： $>>V>=>>>L>2>>>2>d>>>>\Delta t>>>t>2>>->>t>1>>>>->->->->>(>5>)>>>s>$

因此，δ_V的计算公式如下： $>>>\delta >v>>=>>(>2>>\delta >L>>+>>\delta >d>>)>>+>sup>>\delta >>t>1>>2sup>>+sup>>\delta >>t>2>>2sup>>+sup>>\delta >\Delta t>2sup>\; >=>>(>2>>\delta >L>>+>>\delta >d>>)>>+>>2sup>>\delta >>t>1>,>2>>2sup>>+sup>>\delta >\Delta t>2sup>\; >->->->>(>6>)>>>s>$

其中，δ_L和δ_d是被输入到流速计算逻辑处理器或微计算机中的间隔距离L和d的测量误差。L和d的符号在流速测量期间不会变化。但是，传送时间测量的误差δ_L和δ_d被一个平均方差所代表，因为偶然误差部分较大。

使用用于根据不同的流速分布曲线来计算表达式(2)和(3)的计算机，能够获得计算编程误差δ_SW。因此，能够高可靠性地检查出测量误差δ_V和δ_SW，但是如果在现场安装有超声波流量计，很难准确地检查流体截面测量误差δ_S。为此，因为δ_S变得较大，所以增加了流量测量误差。其结果如下：

如果流体截面是一个理想的圆形，其截面S如下：

S＝πD²/4                   (7)

其中，D是管道的内径。

但是，不能够直接测量已经布置好的管道的内径。最简单的方法是使用制造商提供的管道的内径来计算截面面积，但是内径可能与已经布置好的管道内径不同。为此，不可能确实截面面积S的流体截面测量误差δ_S。此外，如果在管道的内表面形成腐蚀阻力层，则它的厚度不能精确地测量得到。管道的截面也不可能是完全的圆形，因为管道可能在储存、运输和布置工作中产生变形，结果可能是椭圆形。在环境因素影响下，内径D的测量误差δ_D可能回较大地增加。流体截面测量误差δ_S如下：

δ_S＝2δ_D                            (8)

如果D＝600mm，和它的绝对误差Δ_D＝8mm，δ_D＝(8/600)×100≈1.34％。流体截面测量误差δ_S如下：

δ_S＝2×1.34＝2.68％

因此，即使精确测量到流速，不可能将流量的测量误差减小到小于δ_S。特别是，在管道具有较大直径的情况下，它的截面易于变成较大的椭圆形。结果，如果将超声波传感器安装到已经布置好的管道上以为了测量流量，很困难精确地测量到流体截面面积S。此外，流体截面测量误差δ_S变大，所以流量测量的误差δ_Q也会加大。

当通过表达式(3)的双重积分根据超声波多通道流量测量方法来计算流量Q时，假设截面S是圆形的，使用了函数S(r)(r是测量的半径)。如果截面S是椭圆而不是圆形时，双重积分误差具有较大的误差。当考虑流速分布曲线V(r)位于间隔-R和+R之间，如图1所示，由于D＝2R的测量误差δ_D，会出现双重积分误差。

本发明的一个目的是提供一种超声波多通道流量测量方法，当多个成对的传感器被安装到已经在现场布置好的管道上时，其在管道内截面面积不能被测量的条件下，能够显著地减少流量的测量误差。

根据本发明，一种超声波流量测量方法包括以下步骤：以一种方式测量管道的内径，即从一个在能估计范围之内的作为管道尺寸的内径的最大偏差中减去腐蚀阻力层及其可能的偏差厚度；测量具有测量的内径的理想圆截面的流量Q_I，该测量的内径在超声波多通道流量测量方法的基础上测量得到的：根据流速分布曲线计算剩余截面的流量Q_II并将流量加到流量中以计算总流量Q。因此，该方法不但能够测量在管道的内径的理想圆形流体截面中的流量，还能够高可靠性地精确的测量在不能测量的管道的内径条件下的流量。

具体来说，当多个成对传感器被安装到已经布置好的管道上和实现超声波多通道流量测量方法时，可以通过下式得到作为管道标准提供的内径的可预测最大偏差ΔD、  腐蚀阻力层以及其可能的厚度偏差Δ_a。

D＝D_S-(ΔD+2a+2Δ_a)                          (9)

根据超声波多通道流量测量方法，对具有内径D的诸如理想圆形截面S_I＝πD²/4进行测量可以得到流量Q_I，然后剩余的截面S_II可以按下式得出： $>>>S>II>>=>>\pi >4>>>>(>>D>S>>->D>)>>2>>=>\pi >>>(>>R>S>>->R>)>>2>>->->->->>(>10>)>>>s>$

对应于剩余截面S_II根据流体流速分布曲线计算出流量Q_II，并且将其与Q_I相加以便测量总流量Q。总流量Q按下式得到：

Q＝Q_I+Q_II                                   (11)

在这个情况下，假设Q_II误差是δ_QII，对总流量Q的影响按下式得到： $>>>\delta >IIQ>>=>>>>Q>I>>+>>Q>II>>>(>1>+>>\delta >QII>>)>>>>>Q>I>>+>>Q>II>>>>->1>+>>>\delta >QII>>>1>+>>>Q>I>>>Q>II>>>>>->->->>(>12>)>>>s>$

如果Q_I≈50Q_II，取决于δ_QII的总流量误差的增加率δ_Q是δ_QII/51。即使增加率δ_Q超过δ_QII＝20％，δ_Q≈0.4％。因此，在内径不能精确测量的条件下，仍然可以较高精度地得到流量Q。可是，注意的是，通过使用超声波可以在具有内径D的理想圆形的流体截面中精确地测量得到Q_I。

下面将参考附图，对本发明进行详细描述，其中：

图1是表示了现有技术的超声波多通道流量测量方法的原理视图；

图2是表示了本发明的超声波多通道流量测量方法的原理视图；

图3是表示在流动截面的对称布置中形成的流速分布曲线；

图4是表示了在R＝(R_S-ΔR)的环形截面S_I和S_II＝π(R_S-R)²椭圆形截面中的每个截面平均流速V_SI和V_SII的比率V_SII/V_SI和ΔR/R_S之间的一个流动截面的函数曲线的视图；

图5是表示了在截面S_I和椭圆形截面S_II中的每个流量Q_II和Q_I的比率Q_SII/Q_SI和ΔR/R_S之间的一个流动截面的函数曲线的视图；

图6是表示了一个在非对称布置中形式的流速分布曲线。

参考图2，如果管道的内径不能被直接测量得到，或者特别是在管道具有较大直径的情况下，有可能变成椭圆形。如果制造商提供的管道内径D_S，被替换到截面S的表达式中，可能会较大地增加截面误差。在这种情况下，多个成对的传感器1i和2i被安装以强迫具有半径R＝R_S-ΔR＝R_S(1-ΔR/R_S)的理想圆的圆周线小于管道标准的内径R_S以对应于其传送/接收表面。R_S是管道标准中所提供的内径D_S的一半。在这个时候，ΔR的选择根据以下因素：使用由管道的制造商提供的内径的偏差ΔD和腐蚀阻力层及其可能的偏差厚度的和(a+Δa)来计算ΔR。

ΔR＝α(ΔD/2+a+Δa)                  (13)

其中，α是预备系数，是在如果ΔD、Δa的可靠性较低时，起到乘积增加的作用。系数α＞1.0。

如果内径的偏差不固定，可以根据以下方式得到ΔD，即在管道的外圆周表面上的多个点测量管道的外径。 

在上述获得ΔR的基础上，成对的传感器1_i和2_I的安装角度φ_i和传感器插入到具有半径R＝R_S-ΔR的圆周线上的长度1_i按照下式计算：

1_i＝ΔR/sinφ_i                           (14)

在该表达式的基础上，成对的传感器被安装到管道上。此后，流体在管道中充满，借助于三点方法测量音速C并且测量在成对传感器之间的超声波穿过时间t_i以计算在成对传感器之间的间隔L_i＝C·t_i，其中L_i的测量方法在1996年7月14日公布的美国专利第5,531,124号和在1998年7月14日公布的美国专利第5,780,747号中被公开，根据Li的计算结果，判断传感器的穿过/接收表面是否对应于具有半径R＝R_S-ΔR的圆的圆周。如果需要，可以调节传感器的位置。并且，可以使用成对传感器1_i和2_i和在成对传感器之间的间隔Li的安装角φ_i获得R＝R_S-ΔR或D＝D_S-2ΔR的值，如下式所示：

D＝L_I×sinφ_i＝2R                     (15)

并且接着可以判断是否选择R＝R_S-ΔR。

通过超声波测量流量Q_I的流体截面S_I如下式所示：

S_I＝πR²＝πR²_S(1-ΔR/R_S)²            (16)

假设在截面S_I内的平均流速是V_SI，流量Q_I通过下式进行计算：

Q_I＝S_I·V_SI＝πR²_S[1-(ΔR/R_S)²]·V_SI  (17)

不能通过超声波测量的截面S_II如下式计算得到：S_II＝π(R²_S-R²)＝πR²_S[R²_S-R²_S(1-ΔR/R_S)²]＝πR²_S[1-(1-ΔR/R_S)²](18)

如果椭圆形截面S_II的平均流速是V_SII，在截面S_II中的流量Q_II如下式进行计算：

Q_II＝πR²_S[1-(1-ΔR/R_S)²]·V_SII       (19)

其中V_SII是不能测量得到的值。只能使用流速分布曲线计算出该值。

首先，可按下式得到Q_II/Q_I的比值： $>>a>=>>>Q>II>>>Q>I>>>=>>>\pi sup>>R>S>2sup>>[>1>->>>(>1>->\Delta R>/>>R>S>>)>>2>>]>>V>SII>>>>\pi sup>>R>S>2sup>>[>1>->\Delta R>/>>R>S>>>]>2>>>V>SI>>>>=>>>1>->>>(>1>->\Delta R>/>>R>S>>)>>2>>>V>SII>>>>>>(>1>->\Delta R>/>>R>S>>)>>2>>>V>SI>>>>->->->>(>20>)>>>s>$ >>=>[>>1>>>(>1>->\Delta R>/>>R>S>>)>>2>>>->1>]>>>V>SII>>>V>SI>>>>s>$$

当然，V_SII＜＜V_SI，和Q_II＞＞Q_I。该比值a＜＜1.0，以及1/a＞＞1.0。V_SII和V_SI是ΔR/R_S的函数。

参考图3，表示了流速分布曲线，如果管道的直线部分足够长以及在正常状态下流速的分布是对称的。Y坐标是ΔR/R，X坐标是V/V_o。V_o是在管道中心线或直径线上的流速。在间隔0～ΔR/R_S之间和间隔0～ΔR/R_S之间平均流速的比率是V_SII/V_SI。该比率按下式计算： $>>>>V>SII>>>V>SII>>>=>>>>R>\Delta R>sup>>\int >0>>\Delta R>R>sup>>·>V>>(>r>)>>·>dr>>>>1>>1>->>\Delta R>R>>>sup>>\int >>\Delta R>R>>1sup>>·>V>>(>r>)>>·>dr>>>->->->->>(>21>)>>>s>$

参考图4，显示了V_SII/V_SI＝f·ΔR/R_S的曲线。

参考图5，显示了a＝Q_II/Q_I＝f(ΔR/R_S)的曲线。

通过将由超声波测量得到的流量Q_I乘以a得到流量Q_II。因此，总流量按下式计算：

Q＝Q_I+aQ_I＝Q_I(1+a)                (22)

当ΔR/R_S＝0.0025∶0.05时，a＝Q_II/Q_I＝0.0006∶0.016。当内径D_S＝1000mm和ΔR/R＝0.05时，ΔR＝25mm。如果Q_II的计算误差为δ_QII＝20％，并且ΔR/R_S＝0.05时，可以通过以下的表达式(12)得到由于δ_QII而产生的流量Q的测量误差组分： $>>>\delta >IIQ>>=>>>\delta >QII>>>1>+>>>Q>1>>>Q>II>>>>>=>>>\delta >QII>>>1>+>>1>a>>>>->->->->>(>12>)>>>s>$

因此，如果将δ_QII＝20％和a＝～0.016替代到表达式(12)，δ_QII＝0.315％。如果ΔR/R_S＝0.025，δ_QII≈0.14％。在此，Q_II的计算误差不小于20％，影响总流量误差的误差组分在0.14～0.315％之内。ΔR/R_S＝0.025或0.05的选择意味着内径的偏差为2.5％或5％(参考表达式9)。在这种情况下，截面S的计算误差δ_S意味着2δ_D＝5-10％。这意味着流量δ_Q≥(5-10)％。如果在截面S_I中的超声波测量误差δ_QI为1％，总流量测量误差如下式所示：

δ_Q＝δ_QI+δ_QII＝1.14～1.315％

但是，如果根据传统的超声波流量测量方法δ_S＝5-10％，则δ_Q≈6.0-11％。

参考图6，在多个弦线上测量的流速分布曲线是非对称的布置。此时，没有测量的部分的平均流速按下式计算：

V_II≈(V_II1+V_II2)/2                      (23)

如图6所示，V_II2＜＜V_II1。结果，它和对应于对称布置的流速分布的V_II十分相似。

因此，如果在不能十分精确地测量流体流动截面的区域，和存在管道的内径的偏差，以及管道是椭圆形的情况下，本发明能够增强流量测量的精度。