专利名称：用于检测管道中的空隙的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测和测量具有流体的管道中的气体空隙。(如本文所使用，对“本发明”或“发明”的参考涉及示范性实施例且不一定涉及所附权利要求书涵盖的每个实施例)。 更特定来说，本发明涉及使用超声波发射(其不需要修改或穿透发射所施加到的管道)检测和测量具有流体的管道中的气体空隙。
背景技术：
本部分意在向读者介绍所属领域的可与本发明的各个方面相关的各个方面。以下论述意在提供信息以便于更好地理解本发明。因此，应了解，应根据这一点来阅读以下论述中的陈述，而不是作为对现有技术的认可。在过去20年中，存在核电站操作人员在对反应堆安全很重要的流体系统中发现气体空隙(通常为空气，但有时为例如未溶解的氢气等其它气体)的许多例子。典型的流体系统可为堆心紧急冷却系统、余热移除系统和安全壳喷淋系统(仅举几例)。气体空隙量在一些情况下足以对流体系统的可操作性提出异议(如果其是需要的话)。实际上，存在有气体空隙的流体系统的启始可导致(例如)其泵的气体结合，或破坏性的水击作用。气体源有多种且不易控制，因此这些空隙的检测涉及到多种行业。2008年1月的核管理委员会一般函件中正式指出，核电站被许可方需要管理气体聚集。该函件指出需要连续监视以检测并量化这些系统中的气体空隙，以确保其根据设计基本要求的可用性。该函件进一步指出，关键系统的周期性功能测试将不会提供可操作性的所需保证；如果测试发现系统的功能性由于气体聚集而存在问题，那么其可操作性已受到损害达多久的问题没有答案。本文揭示的系统明确地解决这些问题。其提供以连续方式检测多个系统中的多个管道的任一者中的空隙形成的开始的能力，以及在空隙形成之后再次连续地量化这些空隙的量的能力。
发明内容
本发明涉及检测和测量具有流体的管道中的气体空隙。使用外部地安置在管道上的超声波换能器执行所述测量。沿着几何学界定的路径发射和接收超声波信号的能力揭示管道中空隙的存在与否，且这些超声波信号的通行时间的测量界定空隙的特性。
附图中，说明本发明的优选实施例和实践本发明的优选方法，其中图1是针对本发明揭示的两个配置(也称为操作模式)的一者的设备的框图。图加是关于本发明的操作的流程图。图2b是关于本发明的操作的流程图。图2c是关于本发明的操作的流程图。
图3是管道中的空隙的表示。图4是作为正规化为管道内径的水平的函数的空隙率的曲线图。图5是针对本发明揭示的两个配置(或模式)中的第二配置的框图。
具体实施例方式现在参看图式，其中相同参考标号在若干图中始终表示类似或相同部分，且更具体参看图1和3，展示用于检测和测量具有流体的管道12中的气体空隙的设备10。设备10 包括外部地安置在管道12上的第一超声波换能器。设备10包括外部地安置在管道12上的第二超声波换能器。设备10可包括与所述第一换能器和所述第二换能器通信的多路复用器13、发射器14、接收器15、控制器16和处理器17，其根据管道12中的流体的特性的超声波测量来识别管道12中的空隙。所有这些组件均可连接到电子存储器。第一超声波换能器可外部地安置在管道12的顶部上，且第二超声波换能器可外部地安置在管道12的底部上，基本上处于第一换能器下方。可存在经由多路复用器13与第一和第二换能器通信的控制器16、多路复用器13、发射器14和接收器15，其致使第一和第二换能器产生如下循序发生的超声波发射从第一换能器向第二换能器的发射；如果所述发射如接收器15和控制器16所感测而被第二换能器接收，那么不存在空隙；如果第一换能器的发射未被第二换能器接收，那么存在空隙。来自第二换能器的发射，其在不存在空隙的情况下从管道12的上壁反射出，或在存在空隙的情况下从液体表面反射出。在所揭示的发明的第一配置(或模式)中，如果来自第一换能器的发射被第二换能器接收，那么从此发射以及从经由反射从第二换能器向其本身的发射的通行时间可由处理器17转换为流体声速的近似测量。在所揭示的发明的第二配置(或模式)中，如果来自第一换能器的发射被第二换能器接收，那么采用从第一、第二和额外发射的通行时间来确定声速而无需进行近似。对于两种所揭示的配置，如果来自第一换能器的发射未被第二换能器接收，那么从第二换能器向其本身的发射的通行时间可由处理器17转换为液体高度测量。对于两种所揭示的配置，由处理器17转换为高度可使用与最后发射相关联的流体声速测量来进行，所述最后发射是来自最后发射被第二换能器接收的第一换能器。处理器17可确定管道12的多大分率被气体填充。来自第一换能器的信号可遵循穿过管道壁24、管道12的内部和管道壁M到达第二换能器的直径路径(如果无空隙的话)。多路复用器13、发射器14、接收器15、控制器16和处理器17可处理发射以根据安置在其它管道上的额外换能器而检测并测量空隙。处理器17可当达到与管道12中的空隙相关联的阈值时发布针对管道12的警告。来自第二换能器的发射可遵循且折回穿过管道12 和管道12的内部的直径路径(如果无空隙的话)，以及沿着直径延伸但作为其一部分的路径(如果存在空隙的话)。本发明涉及一种用于检测和测量具有流体的管道12中的气体空隙的方法。所述方法包括以下步骤利用来自外部地安置在管道12上的换能器的超声波能量的发射而测量管道12内部的流体的特性。存在以下步骤使用处理器17处理的信号根据管道12内部的流体的特性识别管道12中的空隙。可对包含用于执行适当步骤的代码的一个或一个以上有形媒体执行所述步骤。可存在以下步骤用多路复用器13和控制器16产生来自外部地安置在管道12的顶部上的第一超声波换能器和外部地安置在管道12的底部上基本上处于第一换能器下方的第二超声波换能器的发射。在所揭示的发明的两种配置中，第一和第二换能器产生如下循序发生的超声波发射从第一换能器向第二换能器的发射；如果所述发射如接收器15和控制器16所感测而被第二换能器接收，那么不存在空隙；如果第一换能器的发射未被第二换能器接收，那么存在空隙。来自第二换能器的发射，其在不存在空隙的情况下从管道12的上壁反射出，或在存在空隙的情况下从液体表面反射出。在所揭示的发明的第一配置中(图1)，如果来自第一换能器的发射被第二换能器接收，那么可存在以下步骤将从此发射以及从经由反射从第二换能器向其本身的发射的通行时间通过处理器17转换为流体声速测量。还可存在以下步骤将这些通行时间测量转换为从第二换能器向其本身的发射中的非流体延迟的近似测量。如果来自第一换能器的发射未被第二换能器接收，那么可存在以下步骤将从第二换能器向其本身的发射的通行时间通过处理器17转换为液体高度测量。通过处理器17转换为高度的步骤可包含以下步骤通过处理器17使用与最后发射相关联的流体声速测量和非流体延迟转换为高度，所述最后发射是来自最后发射被第二换能器接收的第一换能器。本文揭示的本发明的第二配置(图幻在管道充满时采用两个额外发射。如果从顶部换能器18的发射被底部换能器20接收，那么与在第一配置中一样，测量针对此发射的通行时间和从底部换能器20向其本身的通行时间。然而，在第二配置中，当管道充满时采用两个额外发射从底部换能器20向顶部换能器18的发射，以及从顶部换能器18经由来自管道的底壁的反射向其本身的发射。为了实现这些发射，必需图5的多路复用器13中的额外开关触点ITR 30。针对这些额外发射的通行时间与来自第一和第二发射的通行时间组合允许通过处理器17计算流体声速和非流体延迟而无需进行近似。对于所揭示的第二配置，如果从顶部换能器朝向底部换能器的第一发射未被底部换能器接收，那么操作回归到第一配置的操作将针对从底部换能器向其本身的发射的通行时间转换为液体高度，且中断从顶部换能器向其本身的发射和从底部换能器向顶部换能器的发射。对于所揭示的两种配置，可存在以下步骤用处理器17确定管道12的多大分率被气体填充。来自第一换能器的信号可遵循穿过管道壁对、管道12的内部和管道壁M到达第二换能器的直径路径(如果无空隙的话)。可存在以下步骤用多路复用器13、发射器 14、接收器15、控制器16和处理器17处理发射以根据安置在其它管道上的额外换能器而检测并测量空隙。可存在以下步骤当达到与管道12中的空隙相关联的阈值时通过处理器17 发布警告。来自第二换能器的发射可遵循且折回穿过管道12和管道12的内部的直径路径 (如果无空隙的话)，以及沿着直径延伸但作为其一部分的路径(如果存在空隙的话)。在本发明的操作中，且参看图1，换能器T和换能器B是附接到通常以液态水填充但具有含有空隙的可能性的圆形管道12的外部的超声波换能器。如图1所示，换能器T紧固到管道12的顶部；换能器B紧固到底部。在每一换能器与外部管壁M之间的界面中施加适于在换能器与管道12之间(且反之亦然)发射超声的耦合剂材料。所述换能器在直径和自然频率方面标称上相同。在所提出的本发明的第一操作模式中，将换能器T仅用作发射换能器。换能器B在来自换能器T的发射之后作为接收换能器操作(在“一发一收 (pitch-catch) ”模式中)，且当其产生超声波脉冲时在“脉冲回波”模式中作为发射和接收换能器操作，如果管道12充满，那么所述超声波脉冲从上部内部管道壁M反射，且如果管道12含有气泡，那么所述超声波脉冲反射离开气体-水界面。测量这些发射中的每一者的通行时间。如果换能器B未由于来自换能器T的发射而接收到信号，那么这被视为管道12 的顶部中有空隙形成的指示(空隙大大削弱到达底部换能器的来自顶部换能器的声能，借此阻止了接收有效信号)。接着使用来自换能器B的脉冲回波发射的通行时间来确定如从管道12的底部测量到的水柱的高度。接着使用高度测量来计算用气体填充的管道12的分率。如表1和图1所示，多路复用布置允许使用单个一组的电子装置-发射器、接收器、信号检测和处理来检测空隙的存在且计算多个系统的多个管道中的空隙率。图2a-2c —起包括针对本文揭示的第一配置的一个管道的测量及其解释的流程图。参看图1和图3，展示用于检测和测量具有流体的管道12中的气体空隙22(图3 所示的空隙)的设备10的第一配置。管道在图1中标记为管道1，这表示本发明可监视若干管道。设备10包括外部地安置在管道12的顶部上的换能器18，和外部地安置在管道12 的底部上的换能器20，所述换能器产生且接收表征管道12的内部的流体的特性的超声波能量的脉冲。设备10包括发射器14，其经由多路复用器13的开关与换能器18和20通信， 所述开关为(针对管道1)1BT(24)和ITT(25)。接收器15也是设备10的一部分且经由多路复用器13的开关1BR(23)与换能器1BQ0)通信。多路复用器13中的额外开关沈允许发射器14和接收器15与其它管道上的换能器之间的通信，针对设备10用于监视多个管道中的空隙的应用，数目为η (不存在特定限制)。控制器16与多路复用器13以及发射器14 和接收器15通信，其控制超声波信号的发射和接收，检验有效信号的接收(或确认未接收到有效信号)，且在接收到有效信号时测量超声脉冲的通行时间。来自控制器16的数据被发射到处理器17，在接收到有效信号时，处理器17计算管道中的流体的声速，且当在来自换能器T 18的发射上未接收到有效信号时，其计算管道中的液体的高度L 27(图幻。对于此计算，处理器17将流体声速用于换能器T 18发射的最后有效信号被换能器Β20接收的脉冲发射序列。处理器17还根据液体的高度27计算用气体空隙填充的管道12的分率。控制器16与发射器14、接收器15和多路复用器13通信，其将适当的电子装置连接到所监视的每一管道上的顶部和底部换能器，且可致使第一和第二换能器以下文描述的序列产生且检测超声波发射。第一配置的序列的描述在下文中以下编号的序列中，应参考表1 (其图解多路复用器的操作(此表中的X 表示触点闭合))、图1的框图和图2a_2c的流程图。I.控制器16闭合多路复用器13的触点ITT 25，从而将发射器14连接到顶部换能器18，且启始从顶部换能器18朝向底部换能器20的脉冲发射。多路复用器的所有其它触点断开。II.如大多数超声波脉冲发射和接收系统中所普遍的，采用位于控制器中的射程闸(range gate)使接收器能够在预期会发生脉冲的时间窗口中寻找脉冲。如流程2中所示，针对从管道1上的顶部换能器Tl 18向管道1上的底部换能器Bl 20的发射采用射程闸RGTB1。此射程闸控制多路复用器13的触点IBR 23，从而使其闭合持续射程闸时间窗口的持续时间；触点IBR 23将底部换能器20连接到接收器15。多路复用器的所有其它触点均断开。当启用射程闸时由底部换能器20接收的所有电能由接收器15处理且由控制器 16评估以确定是否存在有效信号。如果接收到有效信号，那么不存在空隙22 ；如果当启用射程闸时未接收到有效信号，那么存在空隙22。如果到停用射程闸时(触点IBR 23断开) 未接收到有效信号，那么控制器将此信息以“旗标”的形式(流程图中的Fl)发射到处理器， 处理器提供“针对管道1的空隙警告”输出。如果在启用射程闸的周期期间接收到有效信号，那么控制器测量从脉冲发射的启始到有效信号的接收的总通行时间。此通行时间被发射到处理器17，在处理器17处其将与在稍后序列中测量到的第二通行时间一起使用以针对管道1计算声速和非流体延迟。测得的通行时间还用于针对下一发射调节射程间RGTB1。 所述调节可能是必需的，因为如果流体温度改变则管道1中的流体的声速将改变。如流程图上所示，射程闸RGTBl经调节使得在发射比测得的通行时间少8微秒(所述数字仅作为实例而给出)的量之后其被启用(允许接收)。如流程图还展示，在测得的通行时间之后3 微秒(同样所述数字仅为实例)停用射程闸(阻止接收)。III.在II.中概述的步骤完成之后，控制器16闭合触点IBT 25，从而将发射器14 连接到底部换能器20，且启始脉冲发射，所述脉冲发射在管道充满液体的情况下将反射离开管道的上侧的内部表面，或反射离开液体-空隙界面的表面，但在任一情况下均将在底部换能器20的方向上反射。多路复用器的所有其它触点断开。IV.在步骤III (从底部换能器20的脉冲回波发射)之后，控制器17使用第二射程闸RGBBl来控制多路复用器13的触点IBR 23，所述触点在预期接收脉冲的时间窗口期间再次将底部换能器20连接到接收器15。所有其它多路复用器触点断开。如果在启用射程闸的周期期间接收到有效信号，那么控制器测量从脉冲发射的启始到有效信号的接收的总通行时间。此通行时间被发射到处理器17，在处理器17处其将与在序列步骤II中测量到的通行时间一起使用以针对管道1计算声速和非流体延迟。测得的通行时间还用于针对下一发射调节射程间RGBB1。如流程图上所示，射程间RGBBl经调节使得在发射比测得的通行时间少8微秒(所述数字仅作为实例而给出)的量之后其被启用(允许接收)。如流程图还展示，在比测得的通行时间多3微秒(再次所述数字仅为实例)的量时停用射程闸 (阻止接收)。因为此步骤的从换能器B以及向换能器B的发射为脉冲回波发射，所以如果管道中存在的流体超过可检测的最小值，则将接收到有效信号。因此，如果射程闸的持续时间期间未接收到信号，那么不存在可测量的流体，如流程图上所示。对于两种情况(存在有效信号或无有效信号)，信息均从控制器16发射到处理器17以进行适当处理和输出。V.如果步骤I的发射由底部换能器在步骤II中成功接收且步骤III的发射在步骤IV中成功接收，那么在步骤II和IV中测得的通行时间可由处理器17转换为针对这些发射的非流体延迟的测量以及管道1中的流体声速的测量(所述算法在稍后部分中描述)。 如果来自顶部换能器18的步骤I的发射未被底部换能器20在步骤II中接收，那么控制器 16设定旗标，如流程图中所示，这致使处理器17将来自底部换能器20的且由底部换能器 20在步骤IV中接收的步骤III的所反射发射的通行时间转换为液体高度测量。通过信号处理器17转换为高度可使用从与先前发射相关联的通行时间导出的声速和非流体延迟测量来进行，所述先前发射来自有效信号被底部换能器20接收的顶部换能器18。当两个发射均成功时，流程图展示可使用成功通行时间测量的多个(N个)样本来确定用于在顶部到底部发射未成功时计算液体高度的声速和非流体延迟。多个样本的使用减少了归因于湍流和其它因素的声速和非流体延迟中的随机误差。样本的所需数目N由用户输入。VI.处理器17根据液体高度测量和用户输入的管道内径可确定管道12的多大分率被气体填充。VII.在针对管道1的测量完成之后，控制器16致使多路复用器13针对管道2、接着针对管道3等等重复以上序列，直到针对第η管道完成所述序列为止，于是针对管道1重复序列，等等至无穷。第二配置的序列的描述参看图5和表2。换能器18和20的布置与第一配置的布置相同。第二配置的操作的序列同样对于步骤I、II、III和IV是相同的，如上文针对第一配置所描述，不管管道充满(来自顶部换能器18的发射被底部换能器20成功接收)还是存在空隙(来自顶部换能器18的发射未被底部换能器20接收)。在第二配置中，采用额外发射，如以下序列所描述，其在步骤IV完成之后开始。仅当在步骤II中接收到有效脉冲时才采取步骤V、VI、VII 和VIII。如果步骤II中未接收到有效脉冲，那么序列直接进行到下文的步骤IX。V如果在II中已接收到有效脉冲，那么控制器16闭合触点IBT 25，从而将发射器 14连接到底部换能器20，且发射将由顶部换能器18接收的脉冲(因为管道充满)。多路复用器的所有其它触点断开。VI射程闸RGBTl (此序列未展示于图2的流程图上，其适用于第一配置)致使控制器16在从底部换能器发射的脉冲预期到达顶部换能器的周期(加上或减去容限)中闭合触点ITR 30。所有其它多路复用器触点断开。当在射程闸启用的周期期间接收到有效信号时，控制器16测量从脉冲发射的启始到有效信号的接收的总通行时间。此通行时间被发射到处理器17，在处理器17处其将与其它测量到的通行时间一起使用以针对管道1计算声速和非流体延迟。测得的通行时间还用于针对下一发射调节射程闸RGBT1。VII如果在II和随后步骤VI中已接收到有效脉冲，那么控制器16闭合触点 1TT25，从而将发射器14连接到底部换能器18，且发射脉冲，所述脉冲在从管道的底部内侧表面反射之后将被顶部换能器18接收(因为管道充满)。所有其它多路复用器触点断开。VIII射程闸RGTTl (此序列未展示于图2的流程图上)致使控制器16在从顶部换能器18发射的脉冲在已被管道的底部内侧表面反射后预期到达顶部换能器18的周期(加上或减去容限)中闭合触点ITR 30。所有其它多路复用器触点断开。当在射程闸启用的周期期间接收到有效信号时，控制器测量从脉冲发射的启始到有效信号的接收的总通行时间。此通行时间被发射到处理器17，在处理器17处其将与其它测量到的通行时间一起使用以针对管道1计算声速和非流体延迟。测得的通行时间还用于针对下一发射调节射程闸 RGTTl。IX如果步骤I的发射由底部换能器在步骤II中成功接收，那么在步骤II、IV、VI 和VIII中测得的通行时间可由处理器17转换为针对这些发射的非流体延迟的测量以及管道1中的流体声速的测量(所述算法在稍后部分中描述)。如果来自顶部换能器18的步骤I的发射未被底部换能器20在步骤II中接收，那么控制器16设定旗标，如针对第一配置的序列的流程图中所示，其致使处理器17将来自底部换能器20的且由底部换能器20在步骤 IV中接收的步骤III的所反射发射的通行时间转换为液体高度测量。同样当在步骤II中未接收到有效信号时，步骤V和VII的发射停止。通过信号处理器17转换为高度可使用从与有效信号失效之前的所有发射相关联的通行时间导出的声速和非流体延迟测量来进行， 所述发射来自顶部换能器18以到达底部换能器20。当所有发射均成功时，可使用通行时间测量来确定用于当顶部到底部发射不成功时计算液体高度的声速和非流体延迟。X处理器17根据液体高度测量和用户输入的管道内径可确定管道12的多大分率被气体填充。XI在针对管道1的测量完成之后，控制器16致使多路复用器13针对管道2、接着针对管道3等等重复以上序列，直到针对第η管道完成所述序列为止，于是针对管道1重复序列，等等至无穷。算法的描述如果管道12充满，那么从换能器T进行的发射启始到换能器B对所接收信号的检测的通行时间由下式给出1) tTB = τ Tt+ τ Br+ID/CtTB管道12充满的情况下从换能器T行进到换能器B的超声波脉冲的飞行时间。 所述时间包含直到在T处分离管道12的内部且在B处分离管道12的内部的液柱的通行时间，以及发射器与信号检测电子装置之间的非流体媒介的电子和声延迟。τ 与来自换能器T的发射相关联的非流体延迟发射器延迟、电缆从发射器到换能器T的通行时间、换能器T的延迟、在T处穿过管道壁的通行时间，τ 在B处穿过管道壁的通行时间、换能器B的延迟、电缆从换能器B到接收器的通行时间、接收器电子装置的延迟，以及与脉冲检测和通行时间测量相关联的延迟(举例来说，如果所接收信号的第二半循环的零交叉用于通行时间测量，那么与所接收信号的第一循环相关联的延迟)。ID管道12的内径(由用户输入)。C管道12所含有的流体中的声速。归因于自然对流的横向流体速度分量比声速小 3个量级且因此可以忽略。如果管道12未充满，那么气泡将覆盖换能器T正下方的管道壁，且将阻止超声发射到换能器B。如果管道12充满，那么从来自换能器B(在脉冲回波模式中操作)的发射的启始到其被同一换能器接收和检测的超声的通行时间由下式给出2) 2tBB = τ Bt+ τ Br+2ID/CtBB为从换能器B行进、反射离开管道12的上壁且被换能器B接收的超声从发射到检测的通行时间。τ Bt与来自换能器B的发射相关联的非流体延迟发射器延迟、电缆从发射器到换能器B的通行时间、换能器B的延迟、在B处穿过管道壁的通行时间。在第一配置或操作模式中，假定与来自换能器B的发射相关联的非流体延迟τΜ 基本上与τη相同，则与来自换能器T的发射相关联的非流体延迟相同发射器用于两个发射，可使电缆长度相同，换能器为相同配置，且T和B位置处的管道壁厚度在彼此的若干百分比内。因此，τ Bt+Tte可替代等式(1)中的τη+τ&。进行此替代且从等式(2)减去等式(1)，获得声速的表达式。3) ID/C = tBB - tTB3A) C = ID/( tBB - tTB)当管道12充满时，表达式(3A)可用于管道12中的流体的声速的移动平均值的形成，如图2的流程图所示(声速将在流体温度改变的情况下改变)。如果温度变化缓慢，那么移动平均值可能不是必要的。流程图意在展示如果发现移动平均值是必要的则将如何形成移动平均值。如流程图还展示，如果空隙22开始形成，那么使用当管道12充满时计算的平均声速，连同当管道充满时测得的非流体延迟的平均值，以算出管道中的水位。确定非流体延迟的过程在以下段落中描述。通过将等式C3)代入到等式( 中而得到与在脉冲回波模式中操作换能器B相关联的总非流体延迟TBt+Tfc。4) tBB = TBt + τΒΓ + 2(tBB-tTB)4A) XBt + TBr = 2 tTB - tBB同样，如图2的流程图中所示，当管道12充满时编译总脉冲回波非流体延迟的移动平均值，以供在空隙22开始形成之后使用。同样，移动平均值对于延迟的计算可能不是必要的，但为了完整而予以展示。如果如在从换能器T到换能器B的发射上未接收到信号所证明空隙22开始形成， 那么使用来自换能器B的脉冲回波发射的通行时间来确定管道12中的水位L 5) tBB s (τΒι + τΒΓ)ο + 2 L/C05A) L = [tBB-(TBt + τΒΓ)ο] C0/2此处，(τΜ + τ 和Ctl分别是当管道12充满时编译的移动平均非流体延迟和流体声速。(5)和(5Α)中的近似符号意在表达τη等于τ Bt的假设的不确定性。第二配置或操作模式展示于图5中。多路复用器操作描述于表2中。不提供流程图；逻辑大体类似于模式A的逻辑，只是必须适应4个发射。当管道充满时，第二配置利用四个发射，如下(a)从T到B的一发一收发射，与模式1的发射相同。对于此发射，测量等式(1)中表达且下文重复的通行时间tTB1) tTB = τ Tt+ τ Br+ID/C(b)从B到B的脉冲回波发射，也与模式1的发射相同。对于此发射，测量等式(2)中表达且下文重复的通行时间tBB2) tBB = τ Bt+ τ Br+2ID/C(c)从B到T的一发一收发射对于此发射，测量下文等式(6)中表达的通行时间tBT。此发射仅在管道充满时 (如从T到B的成功发射所证明)启始。6) tBT = τ Bt+ τ Tr+ID/C(d)从T到T的脉冲回波发射对于此发射，测量下文等式(7)中表达的通行时间tTT。同样，此发射仅在管道充满时(如从T到B的成功发射所证明)启始。7) tTT = τ Tt+ τ Tr+2ID/C以上四个等式(1)“2)、(6)和(7)可在无非流体延迟τΜ和(算出等式5Α中的流体液面L所必需的延迟)的近似的情况下求解。特定来说，可展示8) τ Bt+ τ Br = tTT-tTB_tBT所述等式还可用于在无延迟近似的情况下得到声速9)C = 2ID/(tBB+tTT-tTB-tBT)如上所述，当空隙开始在管道中形成时(如未能在B处接收来自T的发射所证明)，从T到T的脉冲回波发射停止，从B到T的一发一收发射也一样。在部分充满的管道中，这些发射不起有用的作用。T到T和B到T发射仅在管道再充满且成功的T到B发射重新开始时重新开始。所揭示的本发明的两种配置采用相同算法将水位高度L转换为空隙面积分率。参看图3，给定水位L，空隙面积Avqid由下式给出(htibach，工程基本原理手册，第2部分，表 lb，以引用的方式并入本文中)
6 ) Avoid =ID2/8 [2 φ - sin (2 φ)]通过将等式(6)除以管道面积π ID2/4获得空隙面积分率VF
6A) VF=l/(2;r)x[2((p-sin(2(p)]角度φ由下式给出
7) φ = arccos(2L/ID-l)图4是正规化为管道内径的作为水平面的函数的空隙率的曲线图。表1，真值表，多路复用器发射和接收控制，第一配置
权利要求
1.一种用于检测和测量具有流体的管道中的气体空隙的设备，其包括外部地安置在所述管道上的第一超声波换能器；外部地安置在所述管道上的第二超声波换能器；以及与所述第一换能器和所述第二换能器通信的多路复用器、发射器、接收器、控制器和处理器，其组合起来根据对所述管道中的所述流体的特性的超声波测量来识别所述管道中的空隙。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一超声波换能器外部地安置在所述管道的顶部上，且所述第二超声波换能器外部地安置在所述管道的底部上，基本上处于所述第一换能器下方。
3.根据权利要求2所述的设备，其包含经由所述多路复用器与所述第一和第二换能器通信的控制器、多路复用器、发射器和接收器，所述设备致使所述第一和第二换能器产生超声波发射，以如下顺序地发生从所述第一换能器向所述第二换能器的发射；如果所述发射因被所述接收器和所述控制器所感测而被所述第二换能器接收，那么不存在空隙；如果所述第一换能器的发射未被第二换能器接收，那么存在空隙；以及来自所述第二换能器的发射，其在不存在空隙的情况下从所述管道的上壁反射出，或在存在空隙的情况下从液体表面反射出。
4.根据权利要求3所述的设备，其中如果来自所述第一换能器的发射被所述第二换能器接收，那么由所述处理器把该发射的以及从所述第二换能器通过反射到其本身的发射的通行时间转换为流体声速测量，如果来自所述第一换能器的发射未被所述第二换能器接收，那么由所述处理器把从所述第二换能器向其本身的发射的通行时间转换为液体高度测量。
5.根据权利要求3所述的设备，其中如果来自所述第一换能器的发射被所述第二换能器接收，那么由所述处理器把该发射的以及从所述第二换能器通过反射到其本身的发射的通行时间转换为与第二发射相关联的非流体时间延迟的测量；如果所述第一换能器的发射未被所述第二换能器接收，那么也使用所述非流体延迟，以供由所述处理器把所述第二换能器向其本身的所述通行时间转换为液体高度测量。
6.根据权利要求5所述的设备，其中由所述处理器所进行的到高度的转换是使用与最后发射相关联的非流体延迟测量和流体声速测量来进行，所述最后发射来自所述第一换能器且被所述第二换能器接收。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述处理器确定所述管道的多大部分被气体填充。
8.根据权利要求7所述的设备，其中如果无空隙，那么来自所述第一换能器的信号遵循穿过管道壁、所述管道的内部和所述管道壁到达所述第二换能器的直径路径。
9.根据权利要求8所述的设备，其中所述多路复用器、发射器、接收器、控制器和处理器处理发射以根据安置在其它管道上的额外换能器而检测并测量空隙。
10.根据权利要求9所述的设备，其中当达到与所述管道中的空隙相关联的阈值时所述处理器发布针对所述管道的警告。
11.根据权利要求10所述的设备，其中如果无空隙，那么来自所述第二换能器的发射遵循且折回穿过所述管道和所述管道的内部的直径路径，且如果有空隙，那么遵循且折回沿着直径延伸但作为其一部分的路径。
12.一种用于检测和测量具有流体的管道中的气体空隙的方法，其包括以下步骤利用来自外部地安置在所述管道上的换能器的超声波能量的发射而测量所述管道内部的所述流体的特性；以及使用处理器处理的信号根据所述管道内部的所述流体的所述特性识别所述管道中的空隙。
13.根据权利要求12所述的方法，其包含用多路复用器和控制器致使外部地安置在所述管道的顶部上的第一超声波换能器和外部地安置在所述管道的底部上基本上处于所述第一换能器下方的第二超声波换能器产生超声波发射的如下顺序地发生的步骤从所述第一换能器向所述第二换能器的发射；如果所述发射因被所述接收器和所述控制器所感测而被第二换能器接收，那么不存在空隙；如果所述第一换能器的所述发射未被第二换能器接收，那么存在空隙；以及来自所述第二换能器的发射，其在不存在空隙的情况下被从所述管道的上壁反射出， 或在存在空隙的情况下被从液体表面反射出，从而返回到所述第二换能器。
14.根据权利要求13所述的方法，其中如果来自所述第一换能器的发射被所述第二换能器接收，那么存在以下步骤由处理器把该发射的以及从所述第二换能器通过反射到其本身的发射的通行时间转换为流体声速测量；如果来自所述第一换能器的发射未被所述第二换能器接收，那么存在以下步骤由所述处理器把从所述第二换能器到其本身的发射的通行时间转换为液体高度测量。
15.根据权利要求14所述的方法，其中由所述处理器所进行的到高度的转换的步骤包含以下步骤使用来自所述第一换能器的与最后发射相关联的非流体延迟测量和流体声速测量而转换为高度，所述最后发射被所述第二换能器接收。
16.根据权利要求15所述的方法，其包含以下步骤用所述处理器确定所述管道的多大部分被气体填充。
17.根据权利要求16所述的方法，其中如果无空隙，那么来自所述第一换能器的信号遵循穿过管道壁、所述管道的内部和所述管道壁到达所述第二换能器的直径路径。
18.根据权利要求17所述的方法，其包含以下步骤用所述多路复用器、发射器、接收器、控制器和处理器处理发射以根据安置在其它管道上的额外换能器而检测并测量空隙。
19.根据权利要求18所述的设备，其包含以下步骤当达到与所述管道中的空隙相关联的阈值时由所述处理器发布警告。
20.根据权利要求19所述的方法，其中如果无空隙，那么来自所述第二换能器的发射遵循且折回穿过所述管道和所述管道的内部的直径路径，且如果有空隙，那么遵循且折回沿着直径延伸但作为其一部分的路径。
21.根据权利要求2所述的设备，其中所述控制器致使所述第一和第二换能器产生超声波发射，以如下顺序地发生从所述第一换能器向所述第二换能器的第一发射；如果所述发射因被所述接收器和所述控制器所感测而被第二换能器接收，那么不存在空隙；如果所述第一换能器的所述第一发射未被所述第二换能器接收，那么存在空隙；来自所述第二换能器的第二发射，其在不存在空隙的情况下从所述管道的上壁反射出，或在存在空隙的情况下从液体表面反射出，从而返回到所述第二换能器；如果来自所述第一换能器的所述第一发射被所述第二换能器接收，那么从所述底部换能器向所述顶部换能器进行第三发射，以及如果来自所述第一换能器的所述第一发射被所述第二换能器接收，那么借助从所述管道的底部的反射从所述第一换能器向所述第一换能器进行发射。
22.根据权利要求21所述的设备，其中如果来自所述第一换能器的所述第一发射被所述第二换能器接收，那么由所述处理器将所述第一发射的以及所述第二、第三和第四发射的通行时间转换为流体声速测量；如果来自所述第一换能器的所述第一发射未被所述第二换能器接收，那么从所述第二换能器向其本身的所述第二发射的所述通行时间被所述处理器转换为液体高度测量。
23.根据权利要求22所述的设备，其中如果来自所述第一换能器的所述第一发射被所述第二换能器接收，那么由所述处理器把所述第一发射的以及所述第二、第三和第四发射的通行时间转换为与所述第二发射相关联的非流体时间延迟的测量，如果来自所述第一换能器的所述第一发射未被所述第二换能器接收，那么所述处理器也使用所述非流体延迟， 以用于把所述第二换能器到其本身的所述通行时间转换为液体高度测量。
24.根据权利要求23所述的设备，其中由所述处理器进行的到高度的转换是使用与最后发射相关联的非流体延迟测量和流体声速测量来进行，所述最后发射来自所述第一换能器且被所述第二换能器接收。
全文摘要
一种用于检测和测量具有流体的管道中的气体空隙的设备包含外部地安置在所述管道上的第一超声波换能器。所述设备包含外部地安置在所述管道上的第二超声波换能器。所述设备包含与所述第一换能器和所述第二换能器通信的多路复用器、发射器、接收器、控制器和处理器，其组合起来根据所述管道中的所述流体的特性的超声波测量来识别所述管道中的空隙。一种用于检测和测量具有流体的管道中的气体空隙的方法包含以下步骤利用来自外部地安置在所述管道上的换能器的超声波能量的发射来测量所述管道内部的所述流体的特性。存在以下步骤使用处理器处理的信号根据所述管道内部的所述流体的所述特性来识别所述管道中的空隙。
文档编号G01B5/28GK102245999SQ200980150031
公开日2011年11月16日 申请日期2009年10月29日 优先权日2008年12月18日
发明者唐纳德·R·奥根斯坦, 欧内斯特·豪泽, 赫伯特·埃斯特拉达, 马修·米哈奇 申请人:卡梅伦国际有限公司