流量计组件、闸门组件和流动测量方法与流程

本申请是发明名称为“流量计组件、闸门组件和流动测量方法”、申请日为2010年8月18日、申请号为201410186961.6、申请人为鲁比康研究有限公司的发明专利申请的分案申请。

本发明涉及管路或开口通道的声学流量计组件，并且尽管不是专有的，特别涉及检测水流的声学流量计组件。本发明还涉及与声学流量计组件可一起使用的下伸门叶组件(undershotgateleafassembly)。

背景技术：

流量计通常用于测量埋设管路和开口通道或涵洞内的流体的流速。传输时间声学流量计是已制定的测量技术。当流量计安装在地下的管路中时，维修要求意味着这些流量计传统上安装在埋设的仪表井内，典型地为混凝土箱体结构。该井典型地易于接近，从而技术人员可接近流量计的部件。这些维修井的结构和安装通常占总流量计安装成本的很高比例。

当超声波(传输时间)流量计安装在开口通道和管路中时，它们典型地安装为必须安装的分部件的聚集，然后校准它们的安装。这些仪表系统的试运行要求精确地测量每个变换器之间的通道长度、测量通道相对于装置流动方向的角度以及水位变换器数据和其它仪表构造参数。市场上可用的其它声学流量计产品通过捆绑声学变换器在通过流动的管路的内外径周围而安装在场地。在开口管道应用中，变换器连接到管道的相对侧壁上。变换器通过信号电缆连接到处理器电子装置。组件必须在野外精确安装且校准。为了变换器安装在管路内径中的安装，管路必须具有足够的直径，从而为了安装的目的人可安全地接近它。为了变换器安装在管路外径的安装，管路必须在底面上，或者大的混凝土井必须构造在管路周围，以为了装配和维修传感器的目的允许人安全地接近该外直径。

在开口通道流量计应用中，流量计的精度受流量计环境的影响。流量计上游和下游的通道几何形状可影响通过流量计的流体的速度分布。该速度分布在除了表面外的流量计内的所有点上可测量。流量计的地板/侧壁上的流体的速度为零。流量计内设定高程上的速度是可测量的，并且这些测量之间的高程上的速度从测量的高程速度内插。然而，表面流速通常不测量，从而上位流动中的速度分布以潜在的高度不确定性推断。为了最小化表面流动速度中的不确定性，应最小化表面速度习性上的变化。

技术实现要素：

本发明的目标是降低流量计安装的基础构造的成本，从而允许安装更多的流量计，这些流量计提供了更多待收集的数据来查找分布系统损耗。

本发明的进一步目标是提供完全限定其自身几何形状的流量计，该流量计对其安装或周围环境不要求校准。

在本发明的另一个目标中，提供一种下伸式流动闸门，其影响流动形状，以产生稳流的、流线型的和可重复的流动状况。

本发明的再一个目标是提供密闭流道中使用的流量计，其包括阀门或等同物，但是没有被称之为构成传统阀门的整合部件的那种类型的"阀帽(bonnet)"。

考虑到这些目标，本发明提供用于管路或开口通道的声学流量计组件，所述组件包括具有预定几何形状的框架，所述框架包括至少一个使用者可接近的端口，所述至少一个使用者可接近端口适合于容纳可互换的拾音筒盒，其包含至少一个声学变换器以测量通过所述框架的流体速度。

优选地，声学流量计组件还包括多个具有相关拾音筒盒的使用者可接近端口。该使用者可接近端口可设置在由所述框架形成的矩形或正方形定向的拐角中。优选地，一对拾音筒盒彼此相对地对角设置。

在优选实施例中，每个拾音筒盒包括多个声学变换器，用于测量预定深度上的流动。声学流量计组件还可包括中空管，中空管用于连接在管线的任何一端，以决定通过所述管线的速度。在实际的实施例中，每个变换器设置在各声音传输管的一端，而另一端开口于所述中空管。每个声音传输管可与各拾音筒盒相关联，并且朝着相关联的面对的声音传输管呈角度。每个声音传输管可包含来自所述中空管的流体。每个声音传输管可包含静止的流体，并且不在流体流动的通道中。

在进一步实施例中，每个声音传输管填充有声学传输材料。该声学流量计组件还可包括所述声音传输管中的流体和流动流体之间的边界界面，所述边界界面由适当声学特性的材料形成，以使声学信号的迅速传输。传声管中的流体也可包含在密封井中，以使该流体将变换器连接到声音传输管的内表面。

本发明还可提供倾斜升降闸门组件，包括闸门构件和至少一个延伸件，该闸门构件可从竖直关闭位置直到基本上水平设置升起和降落，所述闸门构件在其顶端可枢转地安装到用于从竖直关闭位置到基本上水平设置向内拉所述闸门构件的机构，该至少一个延伸件从所述闸门构件突出，其枢转点设在所述至少一个延伸件的端部，所述枢转点与向下倾斜引导装置配合，从而所述闸门构件不越过所述向下倾斜引导装置。

优选的，一对延伸件设置在与各向下倾斜引导装置配合的所述闸门构件的每一侧。倾斜升降闸门组件可设置在开口流体通道中，所述至少一个延伸件基本上设置在流体深度的三分之二处。

本发明还可提供一种开口通道流速系统，用于测量流过所述系统的流体的流速，所述系统包括包含所述流动流体的开口通道、如前所述的声学流量计组件以及所述声学流量计组件下游如前所述的倾斜升降闸门组件，其中所述闸门构件可预见地影响所述流动流体的表面速度。

本发明还可提供一种开口通道流速系统，用于测量流过所述系统的流体的流速，所述系统包括包含所述流动流体的开口通道、如前所述的声学流量计组件以及所述声学流量计组件下游的下伸闸门，其中所述闸门允许所述闸门前方的液位回落从而提供通过所述声学流量计组件的流体的一致深度。

本发明还可提供测量管路或开口通道中流速的方法，所述方法包括如下步骤：提供定时电路，其包括具有至少一个上游声学变换器的第一电路和具有至少一个下游侧声学变换器的第二电路；从所述第一电路测量从所述至少一个上游声学变换器至所述至少一个下游声学变换器检测声学信号上的时间延迟；从所述第二电路测量从所述至少一个下游声学变换器至所述至少一个上游声学变换器在检测声学信号上的时间延迟；当所述至少一个上游声学变换器旁通在所述第一电路中时，测量所述第一电路中的时间延迟；当所述至少一个下游声学变换器旁通在所述第二电路中时，测量所述第二电路中的时间延迟；以及采用所述测量计算流速。

在本发明的进一步方面中，可提供一种用于管路的声学流量计组件，所述组件包括至少三对声学变换器，所述声学变换器的每一对设置在所述管路的相对侧，并且沿着所述管路纵向偏移，以提供上游和下游变换器，每对声学变换器在使用中具有它们的在沿着所述管路轴线的点上相交的声学通道，从而在如果所述声学变换器之一失效的情况下，在测量通过所述管路的流动中提供冗余。

本发明还提供一种升降闸门组件，包括闸门构件，闸门构件与框架相关联，并且可在各自的关闭和开启构造之间上升和/或下降，所述框架具有与其相关联且在其上游的用于测量流体传输转换的设备，所述设备为管道形式，具有与其相关联的一个或多个相对成对的声学变换器或等同物。

在另一个方面中，提供一种在开口通道或河流中测量声学传输时间的方法，所述方法包括如下步骤：在所述开口通道或河流其中一侧上提供具有至少一个上游声学变换器的第一电路和在所述开口通道或河流的相对侧上提供具有至少一个下游声学变换器的第二电路，所述第一和第二电路包括彼此不同步的各自的定时电路，所述定时电路的每一个测量它们各自的信号传输和接收情况，所述第一或第二电路的至少一个包括rf或激光，以在所述第一和第二电路之间提供同步信号，在所述第一和第二电路之间在从所述声学变换器其中之一传输声学信号之前，rf或激光同步信号传输在第一和第二电路之间，从而所述rf或激光同步信号允许在所述声学信号的所述第一和第二电路的各自的定时电路之间同步。

附图说明

为了本发明可更加容易理解且产生实际效果，现在介绍附图，其中：

图1是根据本发明第一实施例的管路声学流量计组件；

图2是图1所示声学流量计组件在其地下埋设位置的示意性截面图；

图3是图1所示声学流量计组件的前侧视图；

图4是图1所示声学流量计组件的平面图；

图5a是示出水流的图1所示的声学流量计组件沿着且在的箭头5-5方向的纵向截面图；

图5b是填充有传声管的与图5a类似的示意图；

图6a是示出速度曲线的水流纵向图；

图6b是沿着图6a的a-a箭头且在其方向上的横向截面图；

图7是在开口通道环境下使用的声学流量计组件的第二实施例的透视图；

图8是图7的平面图；

图9是沿着图8中的箭头a-a方向剖取的截面图；

图10与图6a类似，示出了图7所示的声学流量计组件的实施例，用于与可竖直升起的下伸门叶组合，以控制水流；

图11与图19相类似，具有可旋转的下伸门叶；

图12是图8所示的可旋转下伸门叶组件的结构实施例在关闭位置上的透视图；

图13是图12的类似视图，其门叶被升高；

图14是图13的类似视图，其门叶在完全升高位置；

图15是图12的纵向截面图；

图16是图13的纵向截面图；

图17是图14的纵向截面图；

图18是示出水流的类似于图15的示意图；

图19是示出水流的类似于图16的示意图；

图20是使用在图1至19所示的声学流量计组件的实施例中典型地控制声学变换器的流程示意图，以测量变换器之间的声音传递时间；

图21是在第一方向上测量流量的图20所示流程示意图的局部视图；

图22是与图21所示相反的第二方向上测量流量的图20所示流程示意图的局部视图；

图23是与图20所示的流程示意图结合使用的校验电路的流程示意图，以从图20的示意图消除电路延迟；

图24是图23所示的流程示意图的局部视图，以校验图21所示的第一方向上测量流量的延迟；

图25是图23所示的流程示意图的局部视图，以校验在与图21所示相反的第二方向上测量流量的延迟；

图26是示出本发明进一步实施例的管子的侧视图，用于测量管子中的流速；

图27是图26的端面图；

图28是流动闸门的俯视图，包括根据本发明的转变时间测量设备；

图29是类似于图28的示意图，作为流动闸门和转变时间测量设备的选择性方案；

图30是图28的设置方案的前视图；

图31是闸门关闭状态下沿着图30中的a-a线剖取的截面图；

图32是闸门开启状态下沿着图30中的a-a线剖取的截面图；

图33是沿着图30中的b-b剖取的截面图；

图34是图33中e部分的详图；

图35是图32中d部分的详图；

图36是图31中b部分的详图；

图37是类似于图28的简化图，测量设备中具有分配器；

图38是类似于图37的示意图，测量设备中具有分配器；

图39是类似于图29的简化图，测量设备中具有分配器；

图40是类似于图39的示意图，测量设备中具有2个分配器；

图41是类似于图28具有倾斜控制闸门的流动闸门的顶部透视图；

图42是类似于图41的简化图，测量设备中具有分配器；

图43是类似于图42的示意图，测量设备中具有2个分配器；

图44是进一步实施例的平面图，以采用无线电发射机在变换器之间测量声音传播时间；

图45是类似于图44所示实施例的平面图，以采用激光在变换器之间测量声音传播时间；

图46是图44所示实施例的竖直截面图；以及

图47是密封拾音筒盒的透视图，其包含图44至46所示实施例的电子装置。

具体实施方式

遍及该说明书，在可适用的地方采用相同的参考标号，以避免重复和所有实施例的重复描述。结构和操作的描述均可适用。

在附图的图1至6中，示出了声学流量计组件20，其适合于配合在流体通过其流动的管路(未示出)之间，该流体优选为液体。在该实施例中，流体是水，但是，本发明不限于这样的环境。优选实施例对于在国际灌溉农业区域的灌溉通道中测量灌溉水消耗和在国际城市水网中测量城市水供应是特别有用的。声学流量计20埋设在大地22中(图2)，并且包括支撑管路部分26的框架24。管路部分26适合于连接到管线的任何一端，通过该端的流速待确定。框架24在该实施例中基本上为正方形，并且具有两个端部构件28、30和两个侧部构件32、34。框架24的形状和构造可变化为适合于特定流量计组件的要求。四个中空支架36、38、40和42形成框架24的一部分，并且可滑动地容放可插入其中的拾音筒盒(cartridge)44。拾音筒盒44的数量和定位可根据其中流速待确定的环境而变化。在该实施例中，每个拾音筒盒包括四个声学变换器46。声学变换器46的数量和定位也可变化。声学变换器46可集成在拾音筒盒44和框架24中所包括的电路(未示出)中。包括声学变换器46和处理电子装置的辅助部件全部包含在可互换的密封的拾音筒盒44内。典型地，拾音筒盒44可通过有线或无线的装置将它们的测量结果提供到外部的计算装置。

管路部分26具有很多水平设置的传声管48，由图2和3清楚可见。传声管48典型地为圆柱形状，并且由声学传输材料制作，其将排列的声学变换器46连接到管路部分26的内孔。传声管48设置为以相对于流体流动的方向50成角度θ与管路部分26相交(图5a)。优选的相交角度θ为45度，然而，也可以以0至90度之间的相交角度θ进行其它的实施方案，以适应各种应用的几何形状要求。传声管48为流量计拾音筒盒44内设置的声学变换器46提供声道。在图5a中，传声管48是中空的，从而它们包含管路部分26内的流体，并且声音仅通过该流体传播。传声管48包含静止的水，且不会在水流的通道中。

作为选择，如图5b所示，传声管48可用适当声学特性的固体材料填充或塞紧从而使管路部分26完全密封并且管路在正压力或负压力下运行时，拾音筒盒44可取回不需要抵抗该压力密封接近端口52。传声管48也可填充水，具有传声管48中的静止水和流动水之间的边界界面(未示出)。该界面可由适当声学特性的材料制作，以使声学信号迅速传输。具有密闭传声管48的该实施例的优点在于，管路部分26的内孔是光滑的，而不可能在管路部分26或传声管48中具有碎片的堵塞或撞击。在该设置方案中，良好的声学连接可通过采用接近端口52内的凸轮机构实现在拾音筒盒44内所包含的声学变换器46和传声管48的端面之间，接近端口52内的凸轮机构将可靠地结合抵靠传声管48的表面的声学变换器46。

作为选择，较简单的连接机构可通过用水或类似的流体填充接近端口52实现，其声学连接拾音筒盒44内所包含的变换器46到传声管48的端面。在该实施方案中，接近端口52是密封井，其包含连接变换器46到传声管48的内面的流体。接近端口52典型地竖直排列，并且通过密封盖子54在地水准平面是可接近的。在某些应用中，接近端口52可水平排列，并且通过侧壁安装的盖子是可接近的。接近端口可根据安装需要以任何其它角度安装。

在声学流量计组件20的水平面内，具有四个声学变换器46，它们设置为在每个水平面内提供两个声道58、60(图5a和5b)。由于在每个拾音筒盒44中具有四个声学变换器，所以具有四个水平面62、64、66和68(图6a和6b)。这些声道彼此成直角，并且该布置方案消除了横向流动的错误，正如在通过声学速度计系统用于开口通道流动测量的标准测试方法astmd5389-93(2007)的章节13.1.3所描述的那样。

声学变换器46传输通过管路部分26的高频(在千赫兹至兆赫兹的范围内)声音脉冲。声学信号的传播时间在流动方向50的上游方向和流动方向50的下游方向上测量，如图5a和5b所示。流动速度产生上游方向和下游方向上的声波传播时间上的差别。该传播时间差被记录且用于决定流体沿着声音路径线路的平均速度。四个测量通道提供流体在四个不同平面62-68上的平均速度，如图6a所示。管路部分26内的速度分布于是采用校准数学关系通过在四个平面62-68的每一个处的速度计算。

水位传感器，优选的是声学水位传感器45，将与每个拾音筒盒44相关联。在图1至10的优选实施例中，例如，每个拾音筒盒44包括通常指定的端口47，用于容放且可释放地保持声学水位传感器45。然而，应当理解的是，实质上水位传感器不必物理地集成在相关的拾音筒盒45中或与其集成在一起，只要水位传感器设置在每个拾音筒盒44上或其附近。

水位传感器45用于提供在整体流量计组件处或其附近的水表面的形状的精确测量。因为测量是以水流动的平均速度进行的，所以为了能够精确计算测定体积的流速，还需要在流量计组件位置处的流动横截面的精确测量。

具有与四个拾音筒盒44的每一个相关联的声学水位传感器45的如所示和所描述的优选设置方案保证了水的测定体积流动的精确确定，即使是在水的表面受到扰乱或不平的情形/环境下，例如紊流的情况，或作为选择，在倾斜表面梯度上。

其它实施例可根据需要包括任何数量的声学变换器46及其组合，以实现其它的信号通道构造。也可采用在每个测量平面中以信号反射器替代某些变换器的方案。不是必须具有四个平面62-68通过声学流量计组件20。可采用任何数量的平面，例如，一个或多个平面。该平面不需要如本实施例所示的那样是水平的。

图7至9示出了开口通道环境中使用的声学流量计组件20，典型地用于水灌溉。具有底部72和侧壁74、76的u型通道70用于控制灌溉水的流动。可采用如图1所示的声学流量计组件20，但是不需要接近端口52，因为装置不是埋设在地下，管路部分26是不需要的。该实施例在构造上类似于前面的实施例，其中提供四个可取回的拾音筒盒44。然而，该系统也可设计为具有一个、两个、三个或更多个可取回的拾音筒盒44，与前面的实施例类似。声学流量计组件20在高公差等级下制造，并且完全限定被测流体通过的几何形状。该组件20保证流体总是通过相同的几何形状，其通过声学流量计组件20的本体，与安装在其中的通道70的几何形状无关。拾音筒盒44可滑动地去除和更换，而不改变声学流量计组件20的几何形状。拾音筒盒44的每一个分别以四个中空支架36、38、40和42内的它们的安装点为基准校准。这允许拾音筒盒44互换而不影响声学流量计组件20的校准。声学变换器的特性和几何形状要求与前述实施例所述的相同。

在图10中，图7至9的声学流量计组件20包括下游控制闸门80。在该实施例中，控制闸门80是简单的铡刀式闸门，其竖直升降，且在密封件82上关闭。控制闸门80可如所示的那样与声学流量计组件20分开，或者可集成为组合的组件。控制闸门80形成下伸闸门，其影响流过声学流量计组件20的流体84的表面速度，并且降低周围环境对流过声学流量计组件20的流动分布的影响。如前所述，速度由声学变换器46在多个竖直高程上测量，然后在这些高程的每一个上的速度适合这样的关系，即该关系用于内插在采样高程之间的在各高度上的速度。

通常不测量流体84的表面速度，因为其表面的高程在运行期间变化，从而通常不能在流体的表面86设置声学变换器平面。底面速度总为零，并且顶部变换器平面62以下的所有高程上的速度可从所观注的高程之上和之下的各平面中所获得的测量值内插得出。未知的表面速度是指顶部变换器平面62上面的各高程处的速度必须是根据速度曲线图的形状的假设而推断出来的。该流动的顶部典型是在速度曲线图上发生最大不确定性之处，这是因为在所述表面处没有任何关于速度的信息。在最坏的情形下，该速度可以是非常高的，或者由于诸如风的表面影响在与流动相反的方向上是平稳的。通过设置控制闸门80在声学流量计组件20的下游并且保证控制闸门80的下末端88总是淹没的，控制闸门80保持免于紊流的层流和流线型流动形状。流体的速度在控制闸门80的前面为零。该流动外形是可重复的，并且可由流动模型表现其特性，流动模型采用闸门的位置和声学变换器系统测量的流体速度计算流速。通过控制闸门80下的流动外形的再现性与传感器平面高程62、64、66和68的每一个上测量的流速结合，并且用于降低估算通过声学流量计组件20本体的流体表面速度的不确定性。

下伸控制闸门80的影响降低了通过声学流量计组件20的流动图案上的潜在变化。

在图11中，图10的铡刀式控制闸门80被倾斜升降式闸门90取代。控制闸门90可如图所示与声学流量计组件20分开，或者可集成为组合式组件。闸门90允许闸门在密封件82上关闭时为竖直设置，并且在开启位置时为倾斜或水平设置。闸门90保持在框架92之间，框架92包括水平轨道94和竖直轨道96。销子或辊子98、100设置在闸门90的拐角上，并且保持被束缚在轨道94、96中。销子或辊子98、100沿着它们各自的轨道运动，以允许开启和关闭闸门90。闸门90的运动由连接到闸门90的顶部102的受驱动的电动机或液压臂(未示出)控制。通过拉动或推动闸门90的顶部102，闸门将上升或下降以用作下伸闸门。

倾斜升降闸门90允许给定闸门位置的可重复的流线型以及保持表面流体速度到最小。上面的这两点保证了在计算水表面84和顶部传感器平面高程62中传感器48之间区段流动上的最小错误。在下游侧设置的下伸闸门90产生通过声学流量计组件20仪表的本体的表面速度分布，这比下伸闸门90不存在的情况相比是更可重复的和可预测的。闸门90迫使流动是非紊流和层流的。闸门90允许流动计算算法的产生，其是闸门位置和由声学变换器46所测量到的速度的函数。

声学流量计组件20的开口通道和封闭管道实施方案提供为单一组件，其完全限定其自身的几何形状，从而不需要仪表几何形状的现场调整。

图12至17示出了图11所示的倾斜升降闸门90的进一步变化。在该实施例中，闸门120没有图11中的闸门90两端上的销子或辊子98、100。控制闸门120可与声学流量计组件20分开，或可集成在组合的组件之中，如图所示。控制闸门120和声学流量计组件20的集成允许已经校准的结果中的下降。闸门120的顶部122由支架124和轴126可枢转地安装。轴126在引导轨道128中运转。水平安装的臂构件130可枢转地安装到轴126并且允许闸门120从关闭位置到开启位置运动，反之亦然。臂构件130可根据需要由电动机或液压装置运动。在该实施例中，臂构件130是由连接到电动机134的卷轴132驱动的线缆。齿轮箱136驱动卷轴132。来自卷轴132的线缆连接到臂构件130或轴126。

闸门120的定位由连接到闸门120的下侧140的延伸臂138控制。延伸臂138具有在其自由端的枢转点142。枢转点142所处位置将导致用最小的力(致动力)开启闸门120。这将导致低成本致动以及驱动传输系统132-136。优选的枢转点位置是闸门在关闭位置时净合成力的作用线的位置，典型地为水表面下水深的2/3。这一点表示轴线之上的净力等于轴线之下的净力的中性轴。闸门120上的力是由水压引起，并且等于：

ρ*g*h，在水表面下的给定深度h处

其中

ρ是流体的比重；

g是由于重力引起的加速度

枢转点从闸门120的下侧垂直偏离。枢转点142受限于沿着轨道或狭槽144运动，轨道或狭槽144以向下角度面向闸门120。这种偏离有助于在从其完全开启基本上水平位置关闭闸门时提供向下的力。偏离还保证闸门侧面密封件(未示出)不越过轨道或狭槽144，以避免在侧面密封件周围的泄漏。当从其完全开启基本上水平位置关闭闸门120时，轨道或狭槽144的角度也有助于该向下的力。

为了最小化泄漏，密封件146设置在闸门120的自由端边缘和侧面。密封件为球形密封件的形式，其在闸门120处于竖直位置(即关闭位置)时配合在u型通道70的底部72和侧部74、76上的略微凸出的面148上。密封件146在与u型通道70接触时承受最小的压缩。

图18示出了下游闸门120在与图19所示没有下游障碍物的相同流动和水深的情况下通过声学流量计本体返回水位84的情形。可以看到的是闸门120用于保持通过测量仪本体的较深的流动，从而所有的变换器浸没在水表面以下。在图19中，水表面随着通过声学流量计本体的流速的增加而下降，从而几个变换器48没有浸没在水表面以下。通过流体动力学模拟发现，这一主要优点导致水在没有下游尾水的情况下返回在其前面。该深度剖面线的问题在于，因为很多传感器通道在水之上，从而不能在测量中使用。在仪表下游设置的局部开启闸门使水向上返回，从而它以基本上不变的深度流过仪表本体，从而可利用更多的测量通道。这允许流量计在液压条件下使用，否则该液压条件与采用该方法的测量不兼容。

可对实施例进行变化，以适应各种环境或设计需要。传感器对48的角度位置不限于水平平面，优选相对于中心线呈45度。传感器对48可以角度定位。

传感器48不限于具有匹配成对的传送和接收装置。很多传感器可从一个传输传感器接收信号。

在图1至6中，本发明可在原位置结合在现有的管路中。传声管48可螺纹连接且可焊接在现有的管路上，而不是提供插入管路中的单独的声学流量计组件20。组件可包括在改进框架24中的拾音筒盒44。

在图1至19中，已经描述了声学变换器46及其操作。声学变换器46优选以相对的一对运行。如图5a和5b可见，声学流量计组件20测量流动方向50的上游58b、60b方向上的以及流动方向50的下游58a、60a方向上的声学信号的传输时间。流速在上游方向和下游方向上产生声波传播时间上的差别。该传播时间差记录且用于决定水沿着声道路线的平均速度。

所述时间差采用变换器和电路记录，它们共同具有固有的时间延迟，其加到声学信号的实际传输时间。这些变换器46和电路时间延迟必须从所记录的声学信号传输时间减去，从可决定声学信号的实际传输时间。

变换器46和电路时间延迟典型地在声学流量计组件20的校准中测量，并且表现为数字常数，其从测量的声学信号传输时间中被减去，以计算实际声学信号传输时间的最佳估值。

通过在上游和下游两个方向上校准声学信号传输时间的测量值可决定两个常数。然而，这是不必要的，因为上游方向上的声学信号传输时间从下游方向上的声学信号传输时间中减去，单一的校准时间延迟常数足以校准所需的系统测量。在零流动的情况下，上游信号传输时间恰好等于下游信号传输时间。然而，由于上游方向和下游方向上用于测量传输时间的电路中不同的电路和变换器时间延迟特性，所测量的传输时间不是一样的。测量传输时间上的差值反映了用于测量上游传输时间和下游传输时间的电路中的不同时间延迟特性，并且可通过校准静止水零流动条件下的测量系统被确定为在时间上的某一瞬时的单一数值。

然而，令人不悦的是，由变换器46以及上游和下游测量电路贡献的时间延迟不是常数，而是诸如温度和压力的环境影响以及诸如运行电压和温度的电子电路状态的函数。这些时间延迟上的变化来自于温度、压力、运行电压和其它环境干扰上的变化。这些变化导致流量测量系统20校准上的变化，该变化导致在声学信号传输时间上测量精确差异上的错误。这导致流速测量上的错误，其对低流速的测量是特别显著的。

为了在上游和下游测量电路内补偿时间延迟上的变化，提供一种自校准测量系统，其能够依据每个流速测量上的参照标准自身校准，从而防止在声学信号传输时间测量上的错误。尽管将参考灌溉系统的运行描述实施例，但是本发明的应用不限于该目的。

参见图20至25，测量系统200表示为具有开始输入204和停止输入206的定时器202与通过其传输电信息的几个信号通道在一起。附图仅示出了两个变换器，其呈现在该测量系统200中，即从图5a和5b简化而来的变换器46a和变换器46b。图1至20的所有成对的变换器46以相同的方式连接。

如图20所示，在测量系统200中具有电子系统时间延迟。这些表示为：

δta是输入到定时器202的开始信号208和变换器46a接收的对应电信号之间的延迟。

δrb是变换器46b接收的声学信号和输入到定时器202的停止输入206的对应电信号之间的延迟。

δtb是输入到定时器202的开始信号208和变换器46b接收的对应电信号之间的延迟。

δra是变换器46a接收的声学信号和输入到定时器202的停止输入206的对应电信号之间的延迟。

沿着通道58a从变换器46a到变换器46b的声学信号传输时间表示为tflow_a→h，并且沿着通道58b从变换器46b到变换器46a的声学信号传输时间表示为tflow_b→a。

图21仅示出了测量从变换器46a到变换器46b的声学信号传输时间时的信号通道。该信号传输时间通过发送传输信号208到变换器46a而决定。该传输信号208具有初始的信号特征，其限定了传输信号的开始。该信号特征输入到定时器202，并且限定时间测量的开始。传输信号208传输到变换器46a，其通过传输声学信号到变换器46b进行响应。变换器46b转换该声学信号为输入到定时器202的电信号，并且限定时间测量的结束。从变换器46a到变换器46b传输声学信号时的测量时间为

tab＝[(δta+tflow_a→b+δrb)]

然后，该程序在如图22所示的相反信号方向上重复。从变换器46b到变换器46a的声学信号传输时间通过发送传输信号208到变换器46b而决定。该传输信号208具有初始信号特征，其限定了传输信号的开始。该信号特征输入到定时器202，并且限定时间测量的开始。传输信号208传输到变换器46b，其通过传输声学信号到变换器46a进行响应。变换器46a转换该声学信号为输入到定时器202的电信号，并且限定时间测量的结束。从变换器46b到变换器46a传输声学信号时的测量时间为

tba＝[(δtb+tflow_b→a+δra)]

然后，上游和下游方向上的声波传播方向之差测量为

△t＝tab-tba

＝[(δta+tflow_a→b+δrb)]-[(δtb+tflow_b→a+δra)]

＝(tflow_a→b-tflow_b→a)+((δta+δrb)-(δtb+δra))

＝(tflow_a→b-tflow_b→a)+x

其中x是校准常数。

为了计算校准常数，本发明提供另外的测量，而不采用变换器46a、46b。该方面如图23所示。本发明在旁通传声波变换器46a、46b的可选择信号通道上转换，以允许测量电路时间延迟。如果变换器46a、46b从电路中转换出去，而延迟通道δc转入，则当变换器46a构造为传输变换器时，下面的等式成立：

tab_calibration＝[(δta+δc+δrb)]

该系统构造如图24所示。

类似地，如果变换器46a、46b被转出电路，并且延迟通道δc转入，则在变换器46b构造为传输变换器时，下面的等式也成立：

tba_calibration＝[(δtb+δc+δra)]

该系统构造如图25所示。

于是，这些校准测量可用于与声学信号传输时间测量结合，以从声学信号传输时间的估算中消除电路延迟δta、δtb、δra、δrb，从而可精确地决定这些传输时间。

测量过程如下：

1.测量系统200首先构造为如图21，以测量tflow_a→b。

2.测量系统200然后构造为如图22，以测量tflow_b→a。

3.测量系统200然后构造为如图24，以测量tba_calibration。

4.测量系统200然后构造为如图25，以测量tab_calibration。

于是，结合四个系统测量来决定结果(tflow_a→b-tflow_b→a)。

如果校准时间从流动测量时间减去，则结果为

tab-tab_calibration＝[(δta+tflow_a→b+δrb)-(δta+δc+δrb)]

＝[tflow_a→b-δc]

tba-tba_calibration＝[(δtb+tflow_b→a+δra)-(δtb+δc+δra)]

＝[tflow_b→a-δc]

传输时间上的差值然后决定为

(tab-tab_calibration)-(tba-tba_calibration)＝[tflow_a→b-δc]-[tflow_b→a-δc]

＝[tflow_a→b-tflow_b→a]

在上面的公式中可见，电子电路延迟时间已经从时间声学信号传输时间测量中去除，并且精确确定了信号传输时间测量上的差值。采用高速计算机技术，校准可实时发生，或者可以预定的间隔监测校准。

本发明在另一个方面中提供管路中流动的流体速度的进一步测量方法。在声学传输时间技术测量管路中流速的传统应用中，通常采用单一通道技术或交叉通道技术。这些应用完全依赖于管子或压力。单一通道技术假设在管子中心线周围的对称速度分布，具有彼此相对且偏置的顶部和底部声学变换器。交叉通道技术用于速度分布在管子中心线周围不是对称的情况。在该交叉通道技术中，采用两对彼此面对且偏置的顶部和底部声学变换器，并且它们的声道与管子中心线相交。很多流量计应用不仅要求检测流量计实时失效的能力，而且要求记录流动测量的能力，而不损坏数据的连续性。这是对税收应用仪表的特定要求，具有很强的质量要求。它也应用于远程设置的并且需要花时间以开始工作的仪表。因此，声学变换器在非对称速度分布中的失效会导致不正确的读数，这是因为所形成的单一通道技术仅在对称速度分布中提供正确读数。

在图26和27中，示出了管子250，流体在方向251上流过其间。四对声学变换器252、254；256、258；260、262；和264、266等间隔的布置在管子250周围。声学变换器的定位不限于等间隔的布置，而是可替代为根据适当的要求定位。声学变换器的对数可变化，但是必须至少提供三对。上游和下游声道270-276都通过沿着管子250的中心轴线280的中心点278。因此，沿着六个通道270-276进行的测量可增加精度。如果声学变换器252-266之一失效，则测量仍可用其余的声学变换器执行。该失效可被检测到，并且该失效的声学变换器在方便的时候可以进行更换。

本发明的该方面提供至少三个设置在管子250的中心线280周围的单一或相交通道。该方法提供至少三个独立的流量计，其通过管子250上的声学变换器的协同运行对形成。结果是允许对独立流量计的任何一个失效的实时检测，而且能够保持流量测量直到纠正错误。为了采用其它的测量技术实现该效果，例如，磁流量计可要求沿着管子的截面串联安装的三个仪表。

对于本领域技术人员来说明显的是，图26和27所示的实施例可容易地结合在图1至26所示的实施例中。

根据本发明的进一步优选的方面，并且为此引用包括在附图中的图28至35，在下文称为飞行时间或传输时间的测量设备设置在恰好为控制闸门500或侧面的上游。控制闸门500可为本申请人的澳大利亚专利no,2001283691所指出的类型，正如本说明书中前面所指出和所描述的那样。

如图28和29所示，优选测量设备采用任意横截面的管道600的形式，但更优选的是圆形，如图29所示，或者是平行六面体形状，如图28所示，管道600的横截面与固定的或可移动的控制闸门500或流动的框架相关联。

在图28至36中，示出了控制闸门500，其设置在管道内，例如为灌溉通道(未示出)，控制闸门的功能是允许水流受控通过通道。控制闸门500包括门叶501，其滑动在框架502内。框架502具有外部框架构件，外部框架构件可永久地固定到灌溉渠或管道的底板和侧面，并且具有内部框架构件，内部框架构件滑动在外部框架构件内。内部框架构件可连接到外部框架构件，并且可与其分开，对在灌溉通道的底板和侧面进行土建工作没有要求。该类型的内部/外部框架机构在本申请人的国际(pct)专利申请no.pct/au2001/001036中进行了进一步详述，其内容通过引用包括在此。门叶501可由任何已知类型的升降机构503升起或降落，例如本申请人的国际专利申请no.pct/au2010/000115中所示和所述的那样。然而，应当理解的是，本发明不限于仅用于这样的流动或控制闸门。

典型的安装涉及具有相关测量设备600的控制或流动闸门(任何给定的类型)，相关测量设备600以任何已知的方式且采用任何已知的方法连接到管道或管子的上游进口，例如，位于沟渠或水库等水道。在可选择的安装中，可在整个流量计组件的上游和下游端二者或侧部提供管道连接装置，如该说明书中前面所述的那样。

管道500具有与其相关联的声学变换器46，用于声学束的产生，该声学束横过通过管道500的流动。

应当理解的是，常规的或传统的传输时间流动测量设备为了它们的运行已经规定了测量装置上游和下游二者的条件，以便保证对所述流动有最小的干扰。这些规定条件例如详细地规定在澳大利亚标准as747中。

根据本发明的设置方案为了其运行依赖于通过管道的流动和横过流体的声学束的传输时间测量之间的衍生关系。该衍生关系还依赖于水位(由高程传感器决定)和闸门位置的测量输入。关于这一点，引用本申请人的国际专利申请no.pct/au2002/000230。

实际上，横过流动的声学束的数量可为单数或很多，并且可展现为不同的方位。然而，如图所示的优选的设置方案包括用于图28的平行六面体管道600的三(3)对声学变换器46和用于图29的圆形管道600的一(1)对声学变换器46。

流动与传输时间、闸门开启和水位之间的关系可采用流动试验数据推出，如本申请人的标题为"流动管理"的国际(pct)申请no.pct/au2002/000230中所详细说明的那样。

该设置方案使管道600基本上固定在通道内，同时，控制门叶501可在通道内基本上竖直移动，从而允许通过管道600的流动变化。该设置方案利用双密封601，详见图33至36，其布置在闸门500的整个周边。该双密封601保证了管道600与其上游和下游二者以及外部的完全密封。闸门500在门叶501的上游和下游侧二者上采用平坦的面或表面，以保证通过闸门500的全部行程的位置密封。

对于常规的/传统的闸阀设计，为了封闭闸门在管道内、避免泄露的目的，整个组件中包括阀帽。根据本发明的设置方案，采用前面所述的双密封类型，不需要阀帽或等同物。

在图37和38的实施例中，示出了具有分配器602的图28实施例的变化。图37具有单个分配器602，而图38具有一对分配器602。分配器602具有多个连接在任何一侧上的声学变换器46，该侧与管道600的相对内壁上的声学变换器46配合。由图33可见，图28所示实施例的声道长度f被减小，因为图37所示实施例的声学变换器会处在分配器602和在任何一侧上的管道600的内壁之间。类似地，对于图38的实施例，声道长度将进一步减小，因为声道长度设在分配器602和在任何一侧上的管道600内壁之间以及在管道600中间的分配器602之间。该减小的声道长度允许管道600长度上的减小。可具有进一步的分配器602，但是附加的声学变换器46的成本很昂贵并且不合理。

图39和40所示的实施例示出了具有分配器602的图29的实施例的变化。分配器602以与图37和38所述相同的方式运行。再者，最终声道长度上的减小允许管道600的长度上的减小。

图41所示的实施例类似于图28的实施例。两个实施例之间的差别是倾斜滑动件或控制闸门500。向后呈角度地倾斜滑动件或控制闸门500减小了安装该系统时所需的净空高度。图42和43涉及使用图41实施例的分配器602并且与前述的图37和38的实施例的运行相同。

图44至46示出了声学传输时间流量计形式的进一步测量系统的示意图，其设计为测量不需要连接所有声学变换器46到中心位置的连接电缆的流体流动700。图20至25所描述的测量系统200要求横过开口通道的相对侧的电缆。该系统示出了左侧河流或通道堤坝702和相对的右侧河流或通道堤坝704。传统上，需要穿过堤坝702、704之间的河流或渠床706的电缆。挖掘或截断河流或渠床706来设置所需的电缆可能是不可行的。该实施例允许不使用电缆或限制电缆沿着堤坝702和704的每一个进行设置，这可易于安装。

为了易于描述，声学变换器46示意性地示出为连接到堤坝702、704，但是应当理解，它们也可包含在拾音筒盒44a中，如前面所描述的那样，并且插入安装在河流或通道中的流量计组件20中。

为了自身被包含，拾音筒盒44a可包含如前所述的声学变换器46。拾音筒盒44a包含所需的电子和处理电路，并且由太阳能板708驱动。遥控无线电712允许产生rf信号，其可采用数据无线电天线710发送和接收。数据也可发送到用于存储和进一步处理的中心位置。

图44示出了传输时间流量计的使用，其中传输时间流量计通过标准传输时间法测量流动。流量计由两个或更多个拾音筒盒44a组成，它们提供自己的电源708，共享无线电通讯连接、声学变换器46和同步无线电信号，同步无线电信号用于同步每个拾音筒盒44a中的信号采样系统时钟。

为了最小化，安装两个拾音筒盒44a-在每个堤坝702、704的任何一侧上安装一个。也可如图44所示安装四个拾音筒盒44a，每侧两个以提供标准的交叉通道测量设置方案。也可采用更多的拾音筒盒对，以在流动通道内提供附加的速度信息。

拾音筒盒对44a作为选择用作声学发送器和声学接收器。例如，成对的拾音筒盒714用作发送器，而拾音筒盒716用作接收器并且接收由拾音筒盒714传输的声学信号718。拾音筒盒714在其高精度定时电路中记录触发事件的时间，而拾音筒盒716在其高精度定时电路中记录接收事件的时间。每个拾音筒盒中的定时电路是高速二进制计数器，其初始化到零值，然后向上执行计数。这些计数器中的每一计数在10微微秒周期中更新，从而单一计数器的增量表示10微微秒的持续时间。传输事件由拾音筒盒714中的电路捕获，并且该时刻上的时间计数值存储在拾音筒盒714中的寄存器中。接收事件由拾音筒盒716中的电路捕获，并且该时刻上的时间计数值存储在拾音筒盒716中的寄存器中。然而，拾音筒盒714中的计数器与拾音筒盒716中的计数器不同步，从而拾音筒盒716和拾音筒盒714中存储的寄存器值之间的时间差是不确定的。为了同步每个拾音筒盒中的时间寄存器值，在触发脉冲前，从拾音筒盒714到拾音筒盒716传输rf同步脉冲。该rf脉冲以光速(3x10⁸m/s)传播在两个拾音筒盒714、716之间，意味着100m的拾音筒盒间隔流逝的时间为333ns。该rf脉冲被拾音筒盒714、716中的两个定时系统捕获，并且提供共同的时间标签，用其作为两个拾音筒盒定时电路内的开始事件和接收事件的基准。于是，通过从接收事件时间减去触发事件时间计算声学传输时间。然后，拾音筒盒714、716交换角色，发送器拾音筒盒714变为接收器拾音筒盒，反之亦然。然后，计算相反方向上的声学传输时间，允许记录不同的传输时间且用于推论通过通道的流速。

图45用激光系统取代了图44的rf系统。然后，同步脉冲激光无线电720(图47)可用作替代品。拾音筒盒44a示出了两个选项，但是应当理解，该系统可仅与这些选项其中之一一起运行。

本发明应理解为包含很多进一步的修改，如本领域的技术人员可易于理解，并且应看作落入本发明的宽泛的范围和界限内，这里仅借助于示例阐述了本发明的主要性质和特定的实施例。