[发明专利]用于确定流速的超声波流量测量装置和方法

说明书

本申请涉及用于确定流速的超声波流量测量装置和方法。提出了用于确定在管道(12)中流动的流体的流速的超声波流量测量装置(10)，具有：至少一个测量路径(18)，第一超声波换能器(16a)和第二超声波换能器(16b)彼此相对地布置在该测量路径上，其中在它们之间有流动的流体；以及评估单元，该评估单元被构造用于根据超声波脉冲沿着测量路径(18)在顺着流动的方向和逆着流动的方向上的飞行时间差来计算出流速。在这种情况下，超声波换能器(16a‑16b)被定位成使得在相应的接收超声波换能器(16a‑16b)的接收信号中特定的部分脉冲在时间上被隔离，其中该部分脉冲对应于直接声、反射声、轴向折射的流体声或方位角折射的流体声。

技术领域

本发明涉及用于确定在管道中流动的流体的流速的超声波流量测量装置和方法。

背景技术

一种经过验证的用于测量流速或流量的方法是飞行时间差法。在该飞行时间差法中，一对超声波换能器在纵向方向上相互偏移地安装在管道的外圆周上，它们横向于流动沿着在超声波换能器之间跨越的测量路径相互发送和记录超声波信号。穿过流体输送的超声波信号根据运行方向被流动来加速或减速。得到的飞行时间差借助几何变量计算出流体的平均流速。借助横截面积从中得出体积流量或流量。为了更精确地进行测量，也可以将多个测量路径设置成各自具有一对超声波换能器，以便更精确地获取流动横截面。

用于产生超声波所使用的超声波换能器具有振荡体，其通常是陶瓷。借助该振荡体，例如基于压电效应将电信号转换成超声波，反之亦然。根据用途，超声波换能器用作声源、声音探测器或两者兼而有之。在此，必须确保流体和超声波换能器之间的耦合。常见的解决方案是让超声波换能器伸入到管道中与流体直接接触。然而，这种侵入式探头可能会由于流动的干扰而给精确测量造成困难。反之，浸入式超声波换能器会暴露于流体及其压力和温度下，因此可能会损坏，特别是在腐蚀性或研磨性作用的介质的情况下，或它们会由于沉积物而失去其功能。

原则上，还已知具有完全非侵入式的测量设备的技术，在这些技术中内壁保持完全闭合或平滑。示例为如根据US 4 467 659的所谓的夹合式(Clamp-On)安装，通过该夹合式安装将两个楔形的超声波换能器从外部固定在管道上。对此，与原理相关的缺点在于，由于楔形换能器的方向性，只能实现横穿管中心轴的测量路径。从流体机械的角度来看，这种径向的测量路径通常是不利的，因为它们在流动轮廓发生变化的情况下例如由于预干扰而产生额外的测量误差。

EP 1 378 727 B1提出将产生超声波的元件安装在壁的外侧。与夹合式技术不同，在这种情况下可以说是将超声波换能器集成在壁中。在超声波换能器区域中形成具有比其余壁的壁厚小得多的凹进部(Tasche)，并且其余的壁厚构成超声波换能器的薄膜(Membran)。在这种也称之为压紧式(Clamp-In)的测量方式中，超声波换能器现在能够通过它们几乎对应于球形辐射体的辐射特性也实现非径向的或偏心的路径，所谓的正割路径(Sekantenpfade)，由此可以实现对流动的预干扰增加鲁棒性。

然而，概念相关地，管壁也由此一同被激励，使得在管壁和流体中产生超声波信号的不同的传播路径。由于这种叠加，导致明显的两位数百分比范围内的测量误差。叠加的声音分量的绝对飞行时间除了管几何形状外在很大程度上依赖于流体的声速以及管壁的材料参数。因此，流体的声速和管壁的材料参数会导致测量误差，该测量误差非常敏感地主要取决于声速，并且无法进行有意义的校准。

发明内容

因此，本发明的任务在于提高超声波飞行时间差法的准确性。

该任务通过用于确定在管道中流动的流体的流速的超声波流量测量装置和方法得以实现。两个超声波换能器跨越穿过流动的流体的测量路径，并借助飞行时间差法通过相互发送和接收的具有脉冲形包络曲线和几段周期的超声波频率的超声波脉冲或超声波脉冲包(Ultraschallpulspakete)来测量流动的流体的流速。