流量测量的制作方法
本发明涉及流速的测量。
本发明将描述关于灌溉水流动的速率的测量，但本发明的变型可以应用于其他环境，例如用于测量气体流动的速率。
背景技术：
测量水流过管道的速率的传统方法需要安装一对彼此面对的声换能器以限定声学路径。该路径以与管道中心轴线成45°的角度穿过管道的管状内部并将该轴线平分。每个换能器沿声学路径发送信号并从声学路径接收信号。根据这些换能器的输出，可以确定这些信号沿着声学路径在每个方向上的传播时间。这些传输时间之间的差与管道内流体的平均轴向速度相关。
速度的计算基于这样的假设，流动平行于管道的中心轴线并且存在层流分布。相关逻辑是使用物理分析得出的。
实际上，这些假设并不成立。湍流导致流动模式具有不平行于中心轴线的速度分量和不完全层流的流动分布。因此，管道内的湍流降低了测量的准确性。
为了提高精度，通常包括第二对声换能器，其布置成限定第二声学路径，该第二声学路径以90°在管道的中心线处与所述的第一声学路径相交。由两个声学路径占据的公共平面与管道的中心线重合并且被称为测量平面。当然，仅需要实际精度而不是绝对几何精度，并且，这就是在本领域和本专利说明书中如何使用“测量平面”和类似术语的。举例来说，在
虽然增加第二声学路径是一种改进，但是湍流仍然是不准确性的来源。因此，仍然希望最小化到达流量计的湍流。为此，通常的做法是：
-在流量计的上游侧，提供至少十个管道直径长的管道的直线段；以及
-在流量计的下游侧，提供至少四个管道直径长的管道的直线段。
在许多应用中，这种管道的直线段的安装是昂贵且不便的，和/或需要进一步的精确度。
原申请人先前已经开发了对这些传统方法的改进，例如在wo2011/020143a1和wo2016/004471a1公布的国际专利申请中公开的改进。
wo2011/020143a1(其内容通过引用并入本文)公开了一种声换能器的布置，其限定间隔开的、相互平行的流动测量平面。它还公开了一种换能器的布置，其限定了三个流动测量平面，每个测量平面以不同角度与管道的中心线相交，使得管道的圆形横截面被分成六个扇区。
wo2016/004471a1(其内容通过引用并入本文)公开了一种管状腔，其同样被测量平面分成多个扇形。闸阀位于换能器布置的下游和附近。系统识别用于关联流速、闸阀的位置和换能器的输出。
表述“系统识别”是指从实验数据导出系统模型的已知技术。它包括为感兴趣的系统模型建议合适的数学表示，然后是优化特定表示的调整过程，以便尽可能接近地再现来自系统的实验定时观察。该方法提供了一种比较不同模型的方法，并根据它们重现系统行为的能力对它们进行排序。系统识别是数学系统理论和统计学中的一个特定子课题。
尽管原申请人进行了先前的改进，但本发明人已经认识到可以进一步改进。本发明的优选形式旨在提供改进的精度和/或更简单和更方便的构造。
本文对作为现有技术给出的专利文献或其他事项的引用不应被视为承认或提示该文件或事项是已知的，或其所包含的信息作为任何权利要求的优先权日期的公知常识的一部分。
技术实现要素：
本发明的一个方面提供了一种用于流量计的声换能器的布置；所述流量计用于测量流体流动的速率；所述布置包括对应假想正多边形的每个边缘的相应换能器组；所述换能器组与用于承载流体的管状腔相关联；每个换能器组分别包括：两个声换能器，其定向为限定位于相应组的测量平面中的声学路径；以及另外的两个声换能器，其定向为限定位于相应组的测量平面中的另一声学路径；并且，所述换能器组定位成使得，在垂直于管状腔的横截面中，每个相应换能器组的测量平面与所述假想正多边形的相应边缘重合。
所述正多边形是由一系列直线段(称为“边缘”或“边”)组成的平面形状，其等角度(所有角度在度量上相等)和等边(所有边具有相同的长度)。正多边形可以是凸的或星形的。三角形、正方形、五边形和六边形等是凸正多边形的示例。五角星和六角星是星形正多边形的示例。
优选地，每个相应组的声学路径基本上与相应组的另一声学路径相交。最优选地，每个相应组的声学路径基本上垂直于相应组的另一声学路径。所述假想正多边形可以与管状腔基本上同心，并且优选地是凸的。最优选地，所述假想正多边形是正方形。
所述测量平面优选地基本上平行于管状腔。
所述布置可以包括换能器单元，其中相应的每一个承载两个声换能器，并且包括安装布置，通过该安装布置将相应的一个安装为单元。
所述布置可以包括另外的四个声换能器，其定向为限定位于与管状腔的中心线重合的平面中的两个声学路径。
优选地，所述组和另外的四个声换能器中的每个上游声换能器位于横向于管状腔的上游平面中；并且，所述组和另外的四个声换能器中的每个下游声换能器位于横向于管状腔的下游平面中。
本发明的该方面还提供了一种硬件布置，其包括声换能器的布置和用于感测管状腔中的流体水位的传感器。
本发明的该方面还提供了一种用于流量计的组件，其包括这一布置；以及限定管状腔并承载声换能器的主体。
优选地，所述主体为所述组的每个声换能器限定相应的安装面部分；每个安装面部分基本上垂直于假想正多边形的相应边缘部分。
本发明的这一方面还提供了一种流量计，其包括这一布置；以及逻辑布置，用于将逻辑应用于来自换能器的输出以产生流体流动速率的指示。
优选地，逻辑至少部分地由系统识别确定。
本发明的这个方面还提供了一种用于流量计的换能器单元；所述流量计用于测量流体流动的速率；所述换能器单元包括声学换能器，其用于沿声学路径发送信号并从声学路径接收信号；另一声换能器，其用于沿另一声学路径发送信号并从所述另一声学路径接收信号；和安装布置，通过该安装布置，所述换能器单元可作为单元安装并与用于承载流体的管状腔相关联；声学路径相对于安装布置从换能器单元在取向上相互远离，使得上游的至少三个换能器单元可与下游的至少三个换能器单元协作，以及限定管状腔的主体，以形成该布置。
优选地，所述声学路径以60°的夹角从换能器单元相互远离，使得上游的四个换能器单元可与下游的四个换能器单元协作，并且假想正多边形是正方形。
在另一方面，提供了一种用于水灌溉的流量计中的声换能器的布置；所述流量计用于测量水流动的速率；所述布置包括对应假想正多边形的每个边缘的相应换能器组；所述换能器组与用于承载水的管状腔相关联；每个换能器组分别包括：两个声换能器，其定向为限定相对彼此且位于相应组的测量平面中的声学路径；和另外的两个声换能器，其定向为限定相对彼此且位于相应组的测量平面中的另一声学路径；并且，所述换能器组被定位成使得，在垂直于管状腔的横截面中，每个相应换能器组的测量平面与所述假想正多边形的相应边缘重合。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例来描述设备的实施例，其中：
图1是流量计组件的轴向剖视图；
图2是该组件的端视图；
图3是该组件的透视图；
图4是图3的更易于观察的透视图；
图5是用于流量计的另一组件的透视图；
图6是用于图5的组件的安装的换能器单元的轴向剖视图；
图7是用于流量计的另一组件的透视图；
图8是用于流量计的另一组件的轴向剖视图；
图9是该组件的端视图；
图10是图9的组件的透视图；
图11是图1所示组件的透视图，其上附接有双折阀；
图12是用于流量计的另一组件的竖直轴向剖视图；
图13是该组件的水位轴向剖视图；和
图14是图1中所示的组件的透视图，其中附接有刀闸阀。
具体实施方式
图1至图4示出了用于流量计的组件1，其包括管状主体3和声换能器布置5。
主体3限定了管状腔，水流动穿过该管状腔。在这种情况下，管状腔的直径为
布置5包括三组声换能器7、9、11、13。
布置5的优选形式可用于测量任一方向的流动，但是为了本发明的目的，将考虑沿图1中箭头q的方向的流动。
组7包括安装在主体3内部附近的换能器7a、7b、7c、7d。这些换能器中的上游换能器7a与下游换能器7d(图4)配合，以限定斜对角地横跨主体3的圆柱形腔的平面顶部弦的声学路径。这些换能器中的另一个上游换能器7b与换能器7a在相同的横向平面中，并且与换能器7d在相同的轴向平面中，并与在布置的竖直(如绘制的)中心线cl的另一侧的换能器7a对称定位。换能器7b与换能器中的下游换能器7c配合以限定另一个声学路径。由组7限定的两个声学路径位于共同的测量平面mp7中。因此，换能器7a、7b、7c、7d位于一假想的正方形的拐角处，声学路径从拐角到拐角斜对角地延伸。
组9包括声换能器9a、9b、9c、9d。换能器9a位于换能器7a附近，换能器9c同样位于换能器7c附近。换能器9b、9d分别垂直位于换能器9a、9c下方。换能器9a与换能器9d协作以限定声学路径ac9,1，该声学路径ac9,1斜对角地横穿主体3的内部的垂直弦。换能器9b、9c同样协作以限定斜对角地横跨相同弦的第二声学路径ac9,2。如图1所示，这些路径优选为相互垂直。
路径ac9,1，ac9,2位于共同的测量平面mp9中。组11和13同样限定测量平面mp11，mp13。
在横向于主体3的内部的横截面(对应于图2)中，测量平面各自沿着正方形形式的假想正多边形nrp的相应边缘延伸。多边形nrp的顶点由两个测量平面相交的点限定。
示例性布置5还包括声换能器15a、15b、15c、15d的组15，其限定与主体3的管状内部的中心轴线ca重合的一对交叉的声学路径，以限定中心测量平面mpc。在该示例中，中心测量平面mpc是水位的。
本发明人已经发现，所描述的结构在计算上和结构上都是有利的。
声换能器配置成产生输出，逻辑可应用于输出以确定沿每个测量平面的流体的平均轴向速度。尽管适用的逻辑可能因布置而异，并且取决于流动流体的性质，但发明人的实验室实验已经表明，通过将通过系统识别已经开发的逻辑应用于换能器的输出，可以获得令人惊讶的精确的流量测量。
已经发现所公开的声换能器的布置比现有传感布置更好地解释螺旋流动条件，称为涡流。涡流是湍流的一个方面。
传统的基于经过时间的流量测量需要横穿管道中心轴线的声学路径，并且基于关于管道内的流动剖面的假设。所公开的声换能器的优选布置包括这样的声学路径，其不横穿中心轴线以提供补偿涡流所需的数据。
在旋涡问题更显著的圆形管道(即圆形横截面的管道)的情况下，本发明的优选形式是特别有利的。
参照图5和6的示例性布置最好地说明了由这种换能器布置引起的一些结构优点。为方便起见，已经继承了与图1至图4中类似的部件的附图标记。
每对相邻的换能器可以安装在单个换能器单元内，例如，换能器单元17'可以承载换能器7c、9c。这样，可以安装八个彼此相同的换能器单元，以放置组7、9、11和13的十六个换能器，例如，图示的单元17与单元17'相同。
换能器单元17还包括安装板19形式的安装布置，通过该安装布置，单元17可作为一个单元安装并与主体3的管状内部相关联。安装板19是弯曲的，以与主体3的外部互补，并且具有通孔21的布置，合适的紧固件可以穿过该通孔21以接合形成在主体3的壁中的互补孔23，同时，该单元的换能器承载部分25穿过主体3的壁突出穿过互补开口27。换能器承载部分25包含一对换能器，例如，指向所需操作角度的换能器7c、9c。垫圈29环绕开口27并被压缩以密封经由开口27的泄漏。
通过对安装布置的适当调整，相同的换能器单元17可以用在不同直径的管道中。
图7示出了组件1的另一个示例，其中，相互邻近的声换能器通过分流翅片彼此分开。在该示例中，分流翅片平行于壳体3的管状内部延伸，例如，翅片30将换能器7a、9a彼此分离，而翅片31将换能器9b、11b彼此分离。翅片可以使得流动变直，并限制涡流和交叉流动的影响。类似的翅片30a和31a位于翅片30和31的对面。翅片30、31、30a和31a可以是任何合适的形状，并且通常延伸超过换能器的高度以更好地将水流变直。
其他形式的分流结构也是可能的。在图8和9的示例中，换能器7a、9a由纵向突起33形式的分流结构分开，其限定了基本垂直于假想矩形多边形nrp的顶部边缘的安装面35，并且换能器7a可安装在其上。突起33同样限定了用于换能器9a的安装面37，其基本上垂直于多边形nrp的侧边缘。这种构造使得能够在组的所有16个点采用共同的换能器和换能器安装布置。如果每个换能器安装面具有如图10所示的相对于假想矩形多边形的相应部分的一些其他形式(即非垂直的)共同取向，可以实现类似的效果。在图10中，纵向突起41具有成角度的安装面43、45，其与图9的垂直的安装面35、37不同。
在图1至7的示例中，每个声学路径跨越相应的流动距离，并且因此每对相互面对的声换能器包括上游换能器和下游换能器，例如，对9b，9c包括下游换能器9c上游的上游换能器9b。
在目前为止所示的示例中，上游换能器位于横向于主体3的内部的共同平面中，而下游换能器位于另一个共同的横向平面中。这种共面的特性不是必须的。如图8至9所示，相互邻近的换能器，例如换能器7a、9a可以彼此轴向偏移。优选地，声学路径与横向于主体3的管状腔的至少一个共同平面相交-即，优选地，图8的尺寸l至少为零。
图12和13示出了用于流量计的组件，类似于图1的组件。相对于图1的变型，另外的声传感器15a、15b、15c、15d已经朝向布置的中心轴向向内移动，使得它们位于上游和下游平面up，dp中，声换能器的组也驻留在其中。该移动减小了流量传感布置的总长度。该移动导致声学路径ac15,1、ac15,2以不同于传统优选的90°的角度交叉。尽管如此，结合来自组的声换能器的输出可以获得精确的流量测量。
图12的布置还包括用于感测管道中的水位wl的水位传感器39。在该示例中，传感器39是顶部安装的声学传感器，其沿垂直声学路径ac39发送信号并从其接收反射信号。其他水位传感布置也是可能的，例如，可以提供在底板安装的传感器。水位可以用管道底部上方的高度表示，或者用管道顶部以下的高度表示，或者以其他形式表示。
流量计的优选形式处理来自声换能器的数据以及来自传感器39的数据，以在管道满时以及在管道仅部分满时能够在管道中进行流量测量。
图1至10和图12至13中所示的示例涉及通过主体或管道3的在线流量测量。实施例还可以包括流量控制装置或闸门的附接，以允许水的穿过。根据需要，这种装置可以沿着管道3安装在任何地方，或者安装在管道3的端部。图11和14示出了本领域中使用的典型流量控制装置的使用，但如本领域技术人员理解的，不限于这种装置。
图11具有固定到管道3的端部的双折闸51。在澳大利亚专利no.2012234917中讨论的实施例中充分描述了这种闸，其内容在此完全结合以避免对读者来说重复和不必要的描述。一对铰接的可密封半圆形板53(图11中只能看到其中一个)可以通过可枢转的支柱55提升和降低，该支柱55被轴颈连接到包含在激活装置59中的可旋转的螺纹构件57。马达61将在程序控制下旋转螺纹构件57。如果需要，马达61也可以用手动曲柄代替。
图14具有固定到管道3的端部的刀闸阀63。在国际专利申请wo2011/020143和wo2016/004471中讨论的实施例中充分描述了这种阀，其内容在此完全结合以避免对读者而言重复和不必要的描述。可在框架67内密封地滑动的闸扇65可通过连接到框架67的提升机构69升降。马达71将在程序控制下操作以升降和降低闸扇65。如果需要，马达71也可以用手动曲柄代替。
技术人员将理解，本教导可以远远超出所描述的示例。本发明不限于所描述的示例；相反，它是由权利要求定义的。举例来说，一些变型可以没有组15，并且在该示例中，组的测量平面平行于管状主体的内部，在其他变型中，可能不是这样。
在该示例中，存在对应于十个声学路径的十对相互面对的声换能器。已经发现这种布置导致流量的测量比其他流量测量布置更少受交叉流效应和湍流的其他方面的影响。当然，所公开的原理可以扩展到名义正方形以外的其他正多边形，例如，对于五边形或五角星形形式的名义正多边形，在这种情况下可以实现类似的计算和结构优点。
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