超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)和超聲波流量計(jì)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)和超聲波流量計(jì)。一種用于校驗(yàn)超聲波流量計(jì)中的溫度測量結(jié)果的設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)包括用于流體流動的通道、溫度傳感器以及超聲波流量計(jì)。溫度傳感器被設(shè)置為測量在通道中流動的流體的溫度。超聲波流量計(jì)包括多對超聲波換能器以及控制電子器件。每對換能器被配置為在換能器之間的橫穿通道的弦路徑?？刂齐娮悠骷罱拥匠暡〒Q能器。控制電子器件被配置為基于在該對的換能器之間通過的超聲波信號來測量每對換能器之間的聲速。控制電子器件還被配置為基于所測量的聲速來確定由溫度傳感器提供的測量溫度值是否準(zhǔn)確地描述在通道中流動的流體的溫度。
【專利說明】超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)和超聲波流量計(jì)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實(shí)用新型涉及用于校驗(yàn)超聲波流量計(jì)中的溫度測量結(jié)果的設(shè)備。
[0002]【背景技術(shù)】
[0003]天然氣經(jīng)由管道從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方。期望精確地獲知在管道中流動的氣體的量，并且當(dāng)流體改變或“密閉輸送”時(shí)要求特定的精度。然而，即使不發(fā)生密閉輸送，也要求測量精度，在這些情況下可以使用流量計(jì)。
[0004]超聲波流量計(jì)是一種可用于測量在管道中流動的流體的量的流量計(jì)。超聲波流量計(jì)具有足以在密閉輸送中使用的精度。在超聲波流量計(jì)中，聲信號被來回地傳送經(jīng)過待測流體流?；谒邮盏降穆曅盘柕膮?shù)，確定流量計(jì)中的流體流速。可以根據(jù)所確定的流速和已知的流量計(jì)橫截面面積來確定流過流量計(jì)的流體的體積。
[0005]聲信號在超聲波流量計(jì)中的傳送時(shí)間根據(jù)流體中的聲速而變化。溫度是影響流體中的聲速的一個(gè)因子。因而，溫度測量誤差可以導(dǎo)致流量測量中不期望的不精確。因此，需要用于識別在流經(jīng)超聲波流量計(jì)的流體的溫度測量中的誤差的技術(shù)。
[0006]實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]文中描述了一種用于校驗(yàn)超聲波流量計(jì)中的溫度測量結(jié)果的設(shè)備和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)包括用于流體流動的通道、溫度傳感器以及超聲波流量計(jì)。所述溫度傳感器被設(shè)置為測量在通道中流動的流體的溫度。所述超聲波流量計(jì)包括多對超聲波換能器以及控制電子器件。每對換能器被配置為形成在所述換能器之間的橫穿所述通道的弦路徑。所述控制電子器件耦接到所述超聲波換能器。所述控制電子器件被配置為基于在該對的換能器之間通過的超聲波信號來測量每對換能器之間的聲速。所述控制電子器件還被配置為基于所測量的聲速來確定由所述溫度傳感器提供的測量溫度值是否準(zhǔn)確地描述在所述通道中流動的流體的溫度。
[0008]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于校驗(yàn)流體流中的流體的溫度的方法包括:基于在每個(gè)弦路徑的換能器對之間通過的超聲波信號來測量超聲波流量計(jì)的多個(gè)弦路徑中每個(gè)弦路徑的聲速?；谟稍O(shè)置在所述流體流中的溫度傳感器提供的信號來測量所述流體流中的流體的溫度?；卺槍γ總€(gè)弦路徑測量的聲速來確定所測量的溫度是否準(zhǔn)確描述所述流體流中的流體的溫度。
[0009]在又一個(gè)實(shí)施例中，一種超聲波流量計(jì)包括控制電子器件和多對超聲波換能器。每對超聲波換能器配置為形成在所述換能器之間的橫穿流體通道的弦路徑。所述控制電子器件耦接到超聲波換能器。所述控制電子器件被配置為基于在弦路徑的換能器之間通過的超聲波信號來測量每個(gè)弦路徑的聲速。所述控制電子器件還被配置為確定流體流中的流體的溫度。所確定的溫度是基于設(shè)置在所述流體流中的溫度傳感器的測量結(jié)果。所述控制電子器件進(jìn)一步被配置為基于針對每個(gè)弦路徑所測量的聲速來確定所確定的溫度是否準(zhǔn)確描述所述流體流中的流體的溫度。
[0010]在超聲波流量計(jì)中，流經(jīng)流量計(jì)的流體的溫度梯度能夠使所測量的溫度不正確，這進(jìn)而使基流率不正確。本公開的實(shí)施例配置為基于流量計(jì)的弦聲速來檢測溫度梯度，并且生成指示存在溫度梯度和基流率不正確的警報(bào)。
[0011]【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]現(xiàn)在將參照附圖對本實(shí)用新型的示例性實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，在附圖中:
[0013]圖1示出了根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)；
[0014]圖2示出了根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)的橫截面俯視圖；
[0015]圖3示出了根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)的端部正視圖；
[0016]圖4示出了根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)的換能器對的布置；
[0017]圖5示出了根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)的框圖；
[0018]圖6示出了用于校驗(yàn)根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)中的溫度測量結(jié)果的系統(tǒng)的框圖；
[0019]圖7示出了用于校驗(yàn)根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)中的溫度測量結(jié)果的方法的流程圖；以及
[0020]圖8示出了用于校驗(yàn)根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)中的溫度測量
[0021]【具體實(shí)施方式】
[0022]在整個(gè)以下描述和權(quán)利要求書中使用特定術(shù)語來指示特定的系統(tǒng)部件。如本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的，各公司可以用不同的名稱來指示某部件。此文獻(xiàn)無意對名稱不同而非功能不同的部件進(jìn)行區(qū)分。在下文的討論中以及在權(quán)利要求書中，術(shù)語“包括”和“包含”以開放式的方式使用，因而應(yīng)理解為意指“包括，但不限于…”。此外，術(shù)語“耦接”意欲指間接或直接的電連接。因而，如果第一裝置耦接到第二裝置，則該連接可以是直接的電連接，或者是經(jīng)由其它裝置和連接件的間接電連接。此外，術(shù)語“軟件”包括能夠運(yùn)行在處理器上的任何可執(zhí)行代碼，無論用于存儲該軟件的介質(zhì)如何。因此，存儲在存儲器(例如，非易失性存儲器)中并且有時(shí)被稱為“嵌入式固件”的代碼也包括在軟件的定義中。描述“基于”意欲指“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，則X可以基于Y和任意數(shù)量的其他因子。
[0023]下文的說明涉及本實(shí)用新型的各個(gè)實(shí)施例。附圖不一定按比例繪制。實(shí)施例的某些特征可以擴(kuò)大的比例或者在一定程度上以示意性的形式顯示，并且為清楚和簡明起見可以不顯示常規(guī)元件的一些細(xì)節(jié)。所公開的實(shí)施例不應(yīng)被解釋為或用于限制包括權(quán)利要求在內(nèi)的本公開的范圍。此外，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將理解的是下文的描述具有廣泛的應(yīng)用，并且任何實(shí)施例的討論僅意味著此實(shí)施例是示例性的，而無意暗示包括權(quán)利要求在內(nèi)的本公開的保護(hù)范圍受限于此實(shí)施例。應(yīng)充分認(rèn)識到以下討論的實(shí)施例的不同教導(dǎo)可以單獨(dú)地或以任何適當(dāng)?shù)慕M合的方式采用來產(chǎn)生期望的結(jié)果。此外，各個(gè)實(shí)施例是在測量碳?xì)浠衔锪髁?例如原油、天然氣)的背景下被開發(fā)的，本說明遵循所述開發(fā)背景；然而，所描述的系統(tǒng)和方法同樣可以應(yīng)用于任何流體流量的測量。
[0024]圖1示出根據(jù)各個(gè)實(shí)施例的超聲波流量計(jì)100。超聲波流量計(jì)100包括限定中央通道或孔104的流量計(jì)本體或管段102。管段102設(shè)計(jì)并構(gòu)造為耦接到承載流體(例如天然氣)的管道或其他結(jié)構(gòu)(未示出)，使得在該管道中流動的流體行進(jìn)通過中央孔104。當(dāng)流體行進(jìn)通過中央孔104時(shí)，超聲波流量計(jì)100測量流速(因此，流體可稱為被測流體)。管段102包括便于將管段102耦接到其他結(jié)構(gòu)的法蘭106。在其他實(shí)施例中，可以等同地使用(例如，焊接連接)用于將管段102耦接到結(jié)構(gòu)的任何合適的系統(tǒng)。
[0025]為了測量管段102內(nèi)的流體流量，超聲波流量計(jì)100包括多個(gè)換能器組件。在圖I的視圖中，五個(gè)這樣的換能器組件108、110、112、116和120全部或部分地示出在視圖中。如將在下文進(jìn)一步討論的，換能器組件是成對的(例如，換能器組件108和110)。此外，每個(gè)換能器組件電耦接到控制電子器件封裝124。更具體地，每個(gè)換能器組件通過各自的線纜126或等效的信號傳導(dǎo)組件耦接到控制電子器件封裝124。
[0026]圖2示出了大致沿圖1的線2-2截取的超聲波流量計(jì)100的橫截面俯視圖。管段102具有預(yù)定尺寸并且限定了中央孔104，被測流體流過該中央孔104。一對示例性的換能器組件112和114沿管段102的長度設(shè)置。換能器112和114是聲收發(fā)器，更具體地是超聲波收發(fā)器。超聲波換能器112、114既產(chǎn)生又接收具有大約20千赫茲以上的頻率的聲信號。聲信號可由每個(gè)換能器中的壓電元件產(chǎn)生和接收。為了產(chǎn)生超聲波信號，通過信號(例如正弦信號)對壓電元件進(jìn)行電激勵(lì)，而壓電元件通過振動來響應(yīng)。壓電元件的振動產(chǎn)生聲信號，該聲信號行進(jìn)通過被測流體至該對的對應(yīng)換能器組件。類似地，在受到聲信號沖擊時(shí)，接收壓電元件振動并且產(chǎn)生電信號(例如正弦信號)，該電信號由與流量計(jì)100關(guān)聯(lián)的電子器件進(jìn)行檢測、數(shù)字化和分析。
[0027]路徑200，也被稱為“弦(chord)”，以與中心線202成角度Θ地存在于圖示的換能器組件112和114之間?！跋摇?00的長度是換能器組件112的面與換能器組件114的面之間的距離。點(diǎn)204和206限定了由換能器組件112和114產(chǎn)生的聲信號進(jìn)入和離開流經(jīng)管段102 (即，管段孔的入口)的流體處的位置。換能器組件112和114的位置可以通過角度Θ、由在換能器組件112和114的面之間測量的第一長度L、與在點(diǎn)204和206之間的軸向距離相對應(yīng)的第二長度X、以及與管內(nèi)部直徑相對應(yīng)的第三長度“d”來限定。在大多數(shù)情況下，距離d、X和L在流量計(jì)制造期間被精確地確定。諸如天然氣等被測流體在方向208上以速度分布(velocity profile)210流動。速度矢量212、214、216和218說明了穿過管段102的氣體速度朝著管段100的中心線105增加。
[0028]此外，諸如120和130的換能器通常被分別放置成距點(diǎn)140和145的特定距離處而不考慮儀表尺寸(即，管段尺寸)。諸如天然氣的流體，在方向150上以流速分布152流動。速度矢量153-158說明穿過管段100的氣體速度朝著管段100的中心線105增加。
[0029]起初，下游換能器組件112生成超聲波信號，該超聲波信號入射在上游換能器組件114上進(jìn)而由該上游換能器組件114檢測到。一段時(shí)間以后，上游換能器組件114生成返回超聲波信號，該返回超聲波信號隨后入射在下游超聲換能器組件112上進(jìn)而由下游換能器組件112檢測到。從而，換能器組件沿弦路徑(chordal path) 200對超聲波信號220進(jìn)行交換或起到“一發(fā)一收(pitch and catch)”的作用。操作期間，該系列可以每分鐘出現(xiàn)數(shù)千次。
[0030]超聲波信號220在示例性換能器組件112和114之間的傳送時(shí)間部分地取決于超聲波信號220是否相對于流體流動行經(jīng)下游或上游。超聲波信號行經(jīng)下游(即，在與流體流動相同的方向上)的傳送時(shí)間小于其行經(jīng)上游(即，與流體流動相反)時(shí)的時(shí)間。上游和下游傳送時(shí)間可用于計(jì)算沿信號路徑的平均速度，以及被測量流體中的聲速。給定承載流體的流量計(jì)100的橫截面測量結(jié)果，則中心孔104區(qū)域上的平均速度可用于找出流經(jīng)管段102的流體體積。
[0031]超聲流量計(jì)可以具有一個(gè)或更多個(gè)弦。圖3示出了超聲流量計(jì)100的端部正視圖。具體地，示例性超聲流量計(jì)100包括在管段102內(nèi)位于不同高度的四個(gè)弦路徑A、B、C和D。每一個(gè)弦路徑A-D對應(yīng)于交替地用作發(fā)射器和接收器的換能器。換能器組件108和110 (僅部分可見)組成弦路徑A。換能器組件112和114 (僅部分可見)組成弦路徑B。換能器組件116和118 (僅部分可見)組成弦路徑C。最后，換能器組件120和122 (僅部分可見)組成弦路徑D。
[0032]圖4示出了四對換能器的布置的另一方面，其是俯視圖。每一個(gè)換能器對與圖3的單個(gè)弦路徑對應(yīng)，然而，換能器組件以與中心線202不垂直的角度安裝。例如，第一對換能器組件108和110以與管段102的中心線202不垂直的角度Θ來安裝。另一對換能器組件112和114安裝成，使得弦路徑相對于換能器組件108和110的弦路徑大致成“X”形狀。類似地，換能器組件116和118平行于換能器組件108和110放置，但位于不同的“水平面”或高度。圖4中沒有清楚地示出第四對換能器組件(即，換能器組件120和122)?？紤]到圖2、3和4，換能器對可以安裝成，使得對應(yīng)于弦A和B的上部兩對換能器形成“X”形狀，并且對應(yīng)于弦C和D的下部兩對換能器也形成“X”形狀?？梢栽诿恳粋€(gè)弦A-D處確定流體的流速，以獲取弦流速，并且弦流速組合起來確定整個(gè)管的平均流速。根據(jù)平均流速，可以確定管段中的流動的流體量進(jìn)而可以確定管道的流體量。
[0033]通常，控制電子器件(如，控制電子器件封裝124 )使換能器(如，112、114 )啟動，接收換能器的輸出，計(jì)算每一個(gè)弦的平均流速，計(jì)算計(jì)量器的平均流速，計(jì)算經(jīng)過計(jì)量器的體積流率，并且執(zhí)行計(jì)量器診斷。然后，將體積流率和諸如流速和聲速等其他可能的測量值和計(jì)算值，輸出至在計(jì)量器100的外部的附加裝置，諸如流量計(jì)算器。
[0034]如上所述，每一個(gè)超聲換能器112、114 一般包括壓電晶體。壓電晶體是發(fā)射和接收聲能的有源元件。壓電晶體包括諸如錯(cuò)鈦酸鉛(lead zirconate titanate,PZT)等壓電材料和在壓電材料的表面上的電極。
[0035]電極通常是諸如銀或鎳等導(dǎo)電材料的薄層。施加在電極之間的電壓差在壓電材料內(nèi)誘導(dǎo)出電場，其使該壓電材料改變形狀并且發(fā)射聲能。撞擊在壓電材料上的聲能使得壓電材料改變形狀，并且在電極之間形成電壓。壓電晶體通常被封裝在環(huán)氧樹脂內(nèi)，該環(huán)氧樹脂將壓電晶體保持在適當(dāng)位置，保護(hù)壓電晶體，并且提供匹配層，以提高壓電晶體和計(jì)量器100內(nèi)的流體之間的聲能耦合。
[0036]對于給定的弦，弦流速V給出如下:
【權(quán)利要求】
1.一種超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 用于流體流動的通道； 溫度傳感器，設(shè)置為測量在所述通道中流動的流體的溫度；以及超聲波流量計(jì)，包括: 多對超聲波換能器，每對超聲波換能器配置為形成在所述換能器之間的橫穿所述通道的弦路徑；以及 控制電子器件，耦接到所述超聲波換能器，所述控制電子器件被配置為: 基于在每對換能器之間通過的超聲波信號來測量該對換能器之間的聲速；以及 基于所測量的聲速來確定由所述溫度傳感器提供的測量溫度值是否準(zhǔn)確地描述在所述通道中流動的流體的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為:基于所測量的弦路徑的聲速來計(jì)算每個(gè)弦路徑的溫度值。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為: 比較所計(jì)算的每個(gè)弦路徑的溫度值；以及 基于比較后的溫度值來確定所述溫度傳感器是否提供了準(zhǔn)確描述在所述通道中流動的流體的溫度的測量溫度值。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為:` 基于所計(jì)算的每個(gè)弦路徑的溫度值來計(jì)算在所述通道中流動的流體的平均溫度；以及 將所計(jì)算的平均溫度與所測量的流體溫度進(jìn)行比較；以及 基于所計(jì)算的平均溫度與所測量的流體溫度的差超過預(yù)定的最大差值來產(chǎn)生警報(bào)信號，所述警報(bào)信號指示所測量的流體溫度沒有準(zhǔn)確描述在所述通道中流動的流體的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為:將橫穿所述通道的溫度升高趨勢識別為指示所述測量溫度值沒有準(zhǔn)確描述在所述通道中流動的流體的溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為:基于所測量的聲速來產(chǎn)生警報(bào)信號，所述警報(bào)信號指示所述測量溫度值沒有準(zhǔn)確描述在所述通道中流動的流體的溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于，所述流量計(jì)包括至少四個(gè)弦路徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波流量計(jì)量系統(tǒng)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為: 比較所測量的每對換能器之間的聲速；以及 將橫穿所述通道的聲速升高趨勢識別為指示所述測量溫度值沒有準(zhǔn)確描述在所述通道中流動的流體的溫度。
9.一種超聲波流量計(jì)，其特征在于，包括: 多對超聲波換能器，每對超聲波換能器配置為形成在所述換能器之間的橫穿流體通道的弦路徑；以及 控制電子器件，耦接到所述超聲波換能器，并且被配置為:基于在弦路徑的換能器之間通過的超聲波信號來測量每個(gè)弦路徑的聲速； 確定流體流中的流體的溫度，所確定的溫度基于設(shè)置在所述流體流中的溫度傳感器的測量結(jié)果；以及 基于針對每個(gè)弦路徑所測量的聲速來確定所確定的溫度是否準(zhǔn)確描述所述流體流中的流體的溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲波流量計(jì)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為: 基于針對每個(gè)弦路徑所測量的聲速來計(jì)算所述流體流中的流體的平均溫度； 將所計(jì)算的平均溫度與所確定的溫度進(jìn)行比較；以及 基于所測量的溫度與所計(jì)算的平均溫度的差超過預(yù)定值，來確定所確定的溫度沒有準(zhǔn)確描述所述流體流中的流體的溫度。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的超聲波流量計(jì)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為: 基于所測量的弦路徑的聲速來計(jì)算每個(gè)弦路徑的溫度值；以及 對所計(jì)算的溫度值求平均，以產(chǎn)生所計(jì)算的平均溫度。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲波流量計(jì)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為: 基于所測量的弦路徑的聲速來計(jì)算每個(gè)弦路徑的溫度值；以及 將橫穿弦路徑的溫度梯度識別為指示所確定的溫度沒有準(zhǔn)確描述所述流體流中的流體的溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲波流量計(jì)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為: 比較所測量的弦路徑的聲速；以及` 基于所比較的聲速來確定所確定的溫度沒有準(zhǔn)確描述所述流體流中的流體的溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲波流量計(jì)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為將橫穿弦路徑的聲速梯度識別為指示所確定的溫度值沒有準(zhǔn)確描述所述流體流中的流體的溫度。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的超聲波流量計(jì)，其特征在于，所述控制電子器件被配置為產(chǎn)生警報(bào)信號，所述警報(bào)信號指示所確定的溫度值沒有準(zhǔn)確描述所述流體流中的流體的溫度。
【文檔編號】G01F1/66GK203443622SQ201320232576
【公開日】2014年2月19日 申請日期:2013年5月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月2日
【發(fā)明者】查爾斯·W·德爾, 小亨利·C·斯特勞布 申請人:丹尼爾測量和控制公司