专利名称：流体测量管道中的波型抑制的制作方法
技术领域：
本发明总的来说涉及的是流体的超声波流量测量，具体涉及的是在测量中，控制和/或抑制非基频声波波型的影响。
已知气体的流速以及在气体中的声速是能够通过在气流的上游测和下游测对超声波脉冲的传播时间进行两次测量来确定。这是传播时间式超声波气体流量计的工作的原理。为了使这种计时具有较小的不确性，需要选择一些能够作为计时标记的具有精确特征的脉冲。信号的过零点在时间上能够非常准确地确定并成为一个很好的记时标记。但是，过零点有很多，必须从中可靠地选择一个这样的过零点作为计时标记。
图1E表示的是一种典型的超声测量装置1，其中，两个传感器2，3通过一个管道4面对面地相对设置，管道4为圆柱形，截面为圆形，气体沿箭头6所示方向在管道4中流动。
图1A-1D表示的是从入射到圆形管道4中的超声波脉冲所获得的典型信号。图1A表示的是一开始的接收信号，而图1B、1C和1D表示的是经过一些时间的接收信号，其中，各时间标记分别表示信号1次，2次，3次和4次经过信号开始时的初始到达点。
选择一个特定的负过零点，作为记时的标记。PCT/AU92/00314(WO93/00569)号国际专利申请披露了一种电子流体流量计，其中，包含一完善的以两级处理来选择这种特定过零点的电路系统。利用信号幅度，负向过零点检测器能够在到达所需的过零点之前选择时间。对于这个预备过程在时间上允许有适当的自由度，但是，很明显这种选择必须是在所选择的过零点之前而在前一个过零点之后进行。此外，这可以用来代替精确的时间标记。
已经发现这种装置工作令人满意，这是因为这种装置是根据信号幅度工作并随时间变化。所以，引起信号幅度改变的任何因素都有干扰初始时间的选择，从而干扰正确的过零点的选择的可能。在电子系统中幅值变化的一个原因是增益变化。增益发生变化可能是因为老化，温度变化，或其他环境影响。一般是采用某种自动增益控制(AGC)的方法来对这些变化进行补偿，自动增益控制的方法几乎消除了这些幅值的变化。但是，会有另外的使幅值改变的原因，即，即使由于使用AGC的结果在最大峰值高度恒定的时候也会对信号中个别峰值高度产生影响。此外，当幅值改变导致错误选过零点的时候，所产生的时间误差至少是信号的一个整周期。由于这是系统性的，所以，这意味着一个严重的误差，而且进行平均也不会产生不精确性更小的无偏差平均值。这些幅值变化的一个明显原因是非基频声波波型的存在和传播。
本发明的目的就是通过采用一个装置来基本解决上述问题，或使上述问题得到改善，利用该装置，能够进一步减少非基频声波波型对所接收的信号，典型的是对其幅值的影响。
在整个说明书中所称的“非基频声波波型”是指包括称为高次声波波型的声波波型，反之也一样。
按照本发明的一个方面提供一种流体流量测量系统，它包括一个输送流体的管道，在管道中有分开设置的两个传感器，在两个传感器之间限定一个流体流量测量部分，其中，这个测量部分适于控制非基频声波波型对由至少一个传感器所接收的信号的作用。
总的来说，构成这个测量部分以便控制非基频声波波型在传感器之间的传播，是为了在被传感器接收时减少它们的影响，其中，通过降低非基频声波波型前进的速度来抑制它的传播。
其优点是，不降低基频声波波型的速度，并且通过减少非基频声波波型单纯对一个传感器所接收的信号的幅值的作用来降低非基频声波波型的影响。
在一种结构形式中，测量部分具有至少一个位于管道中的阻碍物，以使流体能围绕阻碍物流动，阻碍物的形状和在管道中的位置都是为抑制非基频声波波型的影响而设计的。一般来说，阻碍物位于管道的中央。另外一种是阻碍物可以不位于管道的中央。其优点是，按流体动力学原理设计阻碍物的形状以使在其附近流体压力的减小被降至理论上的最低点。一般来说，这是通过在管道的测量部分中设置一个或一些具有合适的按流体动力学设计的形状的阻碍物以把管道内的流体压降减小到最小或显著地减小来实现的，其中，阻碍物具有基本光滑的表面。
在一种特定的结构形式中，测量部分自身在形状上至少有一部分具有增大的、非圆形的横截面。通常是通过这样的管道来实现的，这种管道具有至少两个内部相连的管壁部分，其中一个管壁部分是弯曲的，而另一个基本上是不弯曲的。弯曲管壁部分的形状可以是椭圆，圆，抛物线，双曲线，摆线，内摆线，或外摆线的一部分。管壁部分间的内部连接可以是整体形成的，或是由分开的基体形成的。如上所述，阻碍物位于增大的测量部分中。
在一种典型的流量测量系统中有一个输送流体的管道，在管道中有两个分开设置的传感器，在两个传感器之间限定一个测量部分，测量部分包括一个圆柱形管道，并且至少有一个按流体动力学设计形状的阻碍物位于测量部分的中央。
另一种是，测量部分可以包括至少一个在形状上横截面为非圆形的测量部分的部分，这个部分与设置在测量部分中的至少一个按流体动力学设计形状的阻碍物相结合，这种结合用于抑制由至少一个传感器所接收的非基频声波波型的影响。
一般来说，阻碍物是椭圆形并在传感器之间沿管道的主轴设置在管道的中央，从而使在横截面上围绕阻碍物为一个环形，其中，在管道管壁和阻碍物之间的流动通道的宽度沿阻碍物发生变化。
在管道中可以设置有一个，两个，三个直到十个或更多的阻碍物。形成测量部分的管道的内表面还可以是粗糙不平的，以抑制由至少一个传感器接收的非基频声波波型的影响。
如上所述的系统可以用于进行液体或气体的流量测量。一般来说，气体可以是民用气体，甲烷，丙烷，氧气，氢气或工业用气体。其优点是，这个系统可以构成民用或工业用气体流量计的一部分，这种气体流量计特别适合于测量所谓的“天然气”的流量。关于在液体流量测量方面的应用包括液体碳氢化合物和水的测量，以及在船舶测速方面的应用。
现在参照其余
本发明的一些实施例，这些附图为图2表示了在圆形管道中存在的基频和各种高次声波波型；
图3说明的是会聚流动和(0.2)波型；图4表示的是图3的接收波形；图5是与图4相似但是在采用了本发明的一个实施例之后的示意图；图6表示了在图5中所采用的一单个阻碍物的实施例；图7表示了另一个包括两个阻碍物的实施例；图8表示的是由图7的实施例所产生的波形；图9A-9D是与图1A到1D相似的，但如图6或图7那样在管道中设置有一个阻碍物的示意图；图10表示了气体管道温度变化的影响；图11A和11B表示在图10的管道中发射的信号；图12说明了采用本发明的另一个实施例对图11所作的改进；图13A和13B关于温度变化对有无阻碍物的波形进行了比较；图14表示的是采用“声循环”(ring-around)技术发射传输超声波；图15A和15B表示的是代表另外的一些实施例的两种管道形状，其能够减少由于采用“声循环”技术所产生的高次波型的影响；图16A-16D是与图1A到1D相似，但是由图6与15A相结合所产生的信号的示意图。
当把声音脉冲沿着管路或管道入射的时候，会引起传输信号的许多声波波型。这些波型可以简单地被认为是从管道的管壁的反射，或者是紧绷在鼓上的鼓面的振动并在空间传播。这两种类比模拟都有它们的用处但也有各自的局限性。
反射类比能够确定，反射多次的波型沿管道传播的速度会下降。最快的波型是未被反射的平面波或基频波型。平面波波型沿管道以声波在自由空间中的速度进行传播，用C表示。其它波型由于被管道管壁所反射，所以沿管道传播的速度是在从几乎接近C向下降到零的范围内，尽管严格地讲，零速度的波型是不会传播的。一般来说，越慢的波型越少被引发，因此比快一些的波型在幅值上要小一些。对于传播速度小于C/5的波型，其幅值只为主幅值的百分之一或百分之二。除了平面波每种波型都有截止频率，在截止频率之下，波型就不会在具体的管道中传播。对于所考虑的频率和管道尺寸，有许多波型频率是在截止频率以上。
虽然波型是分开存在的，但是，这些波型叠加起来可以产生几乎是连续的信号。对一些波型的接收会比对另外一些波型的接收多得多，所以，如图1A-1D所示，总的信号会出起伏的外观，由此可以知道，其中有一些波型要明显强于在任一边上的速度小的波型。
图2表示的是采用鼓面类比所表示的在圆形管道4中存在的一些很快的波型的很多模拟方式。(0.2)波型是一种中央部分与周边异相的振动。这是预期的，因为传感器2，3在管道4的中央部分引起很强的激振。(0.2)波型的速度只略微低于平面波(0.1)波型的速度，除了使用非常长的管道以使波型分开之外，所接收的信号是这两个波型的和。对于圆柱形管道，两个信号间的精确的相位关系决定了所接收的合成信号的幅值。该相位关系取决于管道4的直径，管道的长度(在传感器2，3之间的长度)，以及取决于平面波的速率。
声波的速度，即平面波的速度，由下式给出C=γpρ0-----------------(1)]]>其中γ是比热系数，P是压力，ρ0是气体密度。这样，速度取决于气体的特性，而且对于一种具体的气体，在固定的压力和绝对温度的情况下，速度将按照在某种标准温度，在这种情况为273K的速度给出C=C273T273-------------(2)]]>C值的变化会改变相位关系并能明显地改变合成信号的幅值。这个幅值还会受到会聚流动的影响。
以相似方式图3表示的是传输成为一种会聚流动的情况。图4表示的是在这种情况下所接收的波型，从图4中可以看到在包络线中第二个最大值要大于第一个最大值。关于这种情况一种可能的解释是，会聚速度场会使来自传感器3的声波发生转向，在其它情况下，这种声波就会消失在直径较小部分的周边的区域中。相似的效果可以在把热的气体放入冷的管道中(以后讨论)的时候看到。这使得检测特定的过零点更困难。
现在看图6，如果在管道4中放置一个中央阻碍物10，则会阻止由参考标号5表示的(0.2)波型的中央部分和其它具有中央分量的更复杂的波型传播。在这种情况下，管道4围绕阻碍物10具有一个环形截面，考虑到阻碍物10的按空气动力学设计的形状，该环形截面沿其长度发生变化。这种效果可以从图4和图5中看到，图4和图5分别表示了在加有中央阻碍物10前后的经过管道4所接收的信号。图4表示了两种波形，一种是在零速流动的波型，其中(0.2)波型是幅值约为平面波波型的幅值三分之二的波型，而另一种是向下游流动的波形，其中幅值之比与上面相反。在图5所表示的具有中央阻碍物10的情况中，(0.2)波型的大小显著减小而且关于零速流动和下游流动的波形非常相似。
虽然中央阻碍物10的放置没有限制，但是已经发现把中央阻碍物10放在离管道4的入口四或五倍管道直径的位置上，如图6所示，会得到最好的结果。根据空气动力学原理来决定阻碍物的形状，合适的形状有球形或泪滴形。阻碍物10的最佳直径是约为管道4直径的一半，但这不是临界尺寸。
可以使用多于一个的阻碍物来获得一些其它的益处。图7表示的是在管道13中放置了两个泪滴形阻碍物11和12。管道13关于起始波形方面对流动方向和气体的特性不敏感。图8表示的是一个在空气气流向下游侧流动(关于图4)和天然气的零速流动的情况下所接收信号的例子。关于气体种类和流动方式的其它组合的波形还会在接收波形上产生小的改变。
图9A-9D表示的是关于图6所示的设置有中央阻碍物10的圆柱形管道的高次波型。高次波型的幅值已被减小，当然(0.2)波型的形态已被控制。
当由于测量器壳体非常凉，或者测量器壳体的温度为室温而气体非常热从而使测量体的温度非常显著地低于气体的温度的时候，就会超乎寻常地更多地引发(0.2)波型。图10说明了这其中的原因。这里，热的气体流6与管道4冷的管壁相接触就产生了一层冷却的气体7。由箭头9所示的通常能量是被反射出管道4的，因此在某种意义上讲也是被浪费的能量能够进入管道4，这是由于其被冷却的气体层7所折射，如箭头8所示。从上面的公式2可知，声波在气体中的速度在气体是冷的情况下要比气体是热的情况下要低。如图10所示，声束进入冷却气体区域的部分以和光束在光密媒质中折射极其相似的方式发生转向。从图11A和11B中可以看到关于热的气体在冷的管道中流动对所接收的信号的作用。
图11A表示向上游传输，图11B表示向下游传输。与关于在均匀温度下零速流动的波形相比，(0.2)波型在图11A中是被减弱，而在图11B中是被增强。
上述这种解释一般是正确的，通过在测量管壁处移去冷却气体层7可以减少影响。这可以通过在管道4入口处的入口端安装一个气体搅动装置来实现，气体搅动装置使气体流产生一种旋流运动以在管壁处产生混合。通过比较图11B和12可以看出这种装置的作用。在图12中使用了搅动装置，而其它实验装置与图11B相同。(0.2)波型的减弱是明显的。
从这方面看中央阻碍物在对(0.2)波型的抑制方面具有很大的作用。这在图13A和13B中得到说明，其中图13A表示的是没有在管道中设置阻碍物的情况。管道中流动着具有室温的气体，管壁被冷却液所冷却。(0.2)波型被再次明显加强。图13B所表示的情况除已设置有中央阻碍物之外，其它条件与图13A所示情况相同。在这种意义上现在的波形是正常的，即这种波形非常类似于在室温下关于相同管道(图5)产生的波形。
虽然到目前为止都是围绕着(0.2)波型进行讨论，但是存在非常多的其它的波型。这些波型的幅值一般小于(0.2)波型的幅值，但是，在一定情况下，这些波型可能会因干扰主声波波束群的传播而产生问题。在如前面所提及的PCT/AU92/00314号国际专利申请中所详细说明的使用“声循环”技术的时候尤其如此。
在这种技术中，当检测到一个信号时，立即发射一个新的脉冲。由于信号中高次波型的尾沿非常长，所以，当这个发射的信号到达接收器时前一个信号仍还有足够大的幅值。实际上，会有一个由多个前面发射的脉冲的高次波型所产生的信号的叠加作用。这些高次波型会加到平面波波型中，所产生的结果是，下一次发射的时间由这个结果所得到的信号来决定。
第一接收信号的第一部分不含任何其它波型，第二接收信号含有由第二次发射的平面波，和那些由第一次发射的以一半平面波速度，即C/2传播的波型。第三接收信号是由第三次发射的平面波，由第二次发射的以C/2速度传播的波型，和那些由第一次发射的具有C/3速度的波型的和。对本领域普通技术人员来说很明显可以继续延伸到第四，第五，…接收脉冲。图12说明了这个相加的过程。此外，参阅图1，当波型次数变高时幅值就变小，以使速度小于C/4的波型对接收信号的影响不大。
从理论上可以表示出或从实验中可以看到，流体流动对于接收信号的作用是使其作为一个整体沿时间轴运动，从而使其形状得到基本保持。已经选择作为时间标记的特定过零点的到达时间随流体流动而改变。到达时间的长短取决于信号是向上游传输，还是向下游传输。接收信号长尾沿的在上述重叠过程中相加的特定部分，是尾沿的在所选择的过零点之后的这一到达时间整数倍的那些部分。这样随着流体流动会使精确的组合发生变化。
这种在“声循环”技术中，把相位随流体流动变化的其它(高次)波型与平面波相加，会使过零点的时间与单独只有平面波的情况，即用平面波进行单一传输的情况不同。当流量是从由声循环运算推导出的传播时间计算得出的时候，随着流量在从无流量到最大流量整个范围上的流量变化，高次波型相对一条直线性的响应曲线产生周期性偏差。名称为“在流量测量中的波型抑制”的由同一申请人提交的“PCT/AU92/00315(WO93/00570)号国际专利申请中所记载的，每四次发射中就发射一个相反的脉冲的方法已经把这个问题提出了。
但是，这却不能防止接收信号的幅值发生变化。当发射一个相反的脉冲的时候，就会从平面波中减除事先已加到平面波信号的幅值中的高次波型所产生的信号。这样，当接收信号中的最初的一些峰点的幅值产生变化，其变化量与这些高次波型相对应的时候，检测系统必须能够可靠地检测正确的过零点。因此，如果具有很接近C/2，C/3，等等这样速度的高次波型的幅值是尽可能的小的话，则一般来说，检测电路很容易有效地工作。
通过对图2所示的波型的特性的研究，看来，它们全都具有取决于测量管道的圆形横截面的高度的对称性。这样，为了减少高次波型，很显然需要尽可能多的破坏或改变管道在几何上的对称性。
图15A和15B所示的两个测量管道的横截面代表了在上述要求之间的一种折衷方法。图15A表示了一个管道20的横截面，这个横截面包括一个基本上为半圆的弯曲部分21和两个平面22和23。图15B表示了一个管道25，其具有一个一部分为椭圆的弯曲部分26和单独一个平面27。管道20和25是根据这样的原理来工作的，即高次波型易于由管道管壁反射，而且在每一种情况下被平面22和23，或27反射出的波型都会分别反射到并损耗在曲面21和26上，考虑到最大的周边长度(及它们的表面面积)，这会降低声压水平并因此降低高次波型的幅值。
图16A-16D表示了上述横截面改变形状的管道20，在管道20中设置有一个单独的泪滴形中央阻碍物。下游特性此时得到明显改善。使用中央阻碍物减小了一些高次波型以及(0.2)波型的幅值。两种技术一块使用，即非圆柱形管道和中央阻碍物相结合使用，会在抑制高次波型方面提高性能。
在另外的结构中，使用一些凹槽和/或凸起使测量管道4的管壁变得粗糙不平，这些凹槽和凸起在大小上差不多为声波信号的波长的一半，对于更宽的超声波频率一般在0.01到8毫米之间，对于能在上述国际专利申请所记载的装置中使用的频率来说，最好在0.25到2毫米之间左右。已经发现这样使其变粗糙不平能够明显减少高次声波波型的影响，而使平面波波型完全支配控制流体流动和温度，且不会在管道4内明显增加对流动的摩擦阻力(压力下降)。
通过用一个适宜的模具进行铸造，或者用间隔接近半个声波波长的螺旋形凹槽构成管壁，能够得到减弱高次波型的合适的粗糙表面。
由于特定的高次波型所含有的能量只延续在有限的时间中，所以能减小特定的高次波型的作用。即，如果波型被反射离开一个完全圆柱形的表面，则所有波前同时到达传感器并使传感器受到其全部的作用。使表面粗糙或变形能使一定比例的波前传播的距离略微长一点，由此减小总的瞬时影响。管壁表面过分的粗糙虽然可以减少高次波型的影响，但也会明显增加压降。
从以上的说明可以明显地看出，加设阻碍物，对管道横截面规则形状的改变，以及/或者使传感器之间的管道变得粗糙不平/有槽，目的都是降低高次声波波型传播的速度，而不降低基频波型传播通道中的速度。
这里所说明的波型抑制技术的一个显著的优点是，其能够与至少一个所述的装置相结合，在把电子气体流量计接入气体管道之前，用空气对其进行校正。采用传统的已有技术的装置，由于超声波在可燃气体，象“天然气”中的模态响应与在空气中的模态响应不同，所以，这种技术会导致校正失误。在这种情况下，不同的模态响应会导致接收的超声波脉冲群的检测的时间不同。根据这里所说明的原理，通过使模态响应得到显著减弱，而使检测时间对于各种气体是一致的。
上面只说明了本发明的几个实施例，对于本领域普通技术人员来说很明显在不离开本发明范围的情况下可以进行各种修改和改进。
权利要求
1.一种流量测量系统，包括一个用于输送流体的管道，在管道中有两个分开设置的传感器，在传感器之间限定一个流体流量测量部分，其中测量部分用于控制非基频声波波型对由至少一个传感器所接收信号的作用。
2.如权利要求1所述的一种系统，其中构成所说的测量部分以控制所说的非基频声波波型在所说的传感器之间的传播，由此减少它们在被所说的一个传感器接收时的影响，通过减小所说非基频声波波型的速度来抑制所说的传播。
3.如权利要求2所述的一种系统，其中不减小基频声波波型的速度，而是通过减小非基频声波波型单纯对由所说的一个传感器所接收的信号幅值的作用来减小非基频声波波型的影响。
4.如权利要求1所述的一种系统，其中所说的测量部分具有至少一个位于管道中的阻碍物，由此管道中的流体能够围绕阻碍物流动，阻碍物具有的形状和被设置在管道里面都适于控制非基频声波波型的影响。
5.如权利要求4所述的一种系统，其中每一个所说的阻碍物都设置在管道的中央。
6.如权利要求4所述的一种系统，其中每一个所说的阻碍物都按流体动力学设计其形状，以减少在阻碍物周围流体压力的变化。
7.如权利要求6所述的一种系统，其中在测量部分中每一个所说的阻碍物都具有基本光滑的表面，而且构成每一个所说的阻碍物以明显减少在测量部分中的流体压降。
8.如权利要求7所述的一种系统，其中所说的阻碍物是从包括有椭球体，和由圆锥体和半球形成的几何体的组合中选择出来的，半球体具有和所说圆锥体的底部相结合的圆形表面。
9.如权利要求1所述的一种系统，其中测量部分至少有一部分在形状上具有一个增大的，非圆形的横截面形状以控制非基频声波波型的影响。
10.如权利要求9所述的一种系统，其中所说的管道在所说的测量部分的所说部分具有至少两个内部相连的管壁部分，管壁部分中的至少一个是弯曲的，而至少另一个管壁部分基本是不弯曲的。
11.如权利要求10所述的一种系统，其中弯曲的管壁部分是从包括有部分椭圆，部分圆，抛物线，双曲线，摆线，内摆线和外摆线的组合中选择出来的，基本不弯曲的管壁部分呈直线状。
12.如权利要求11所述的一种系统，其中管壁部分之间的内部连接是整体形成的。
13.如权利要求9所述的一种系统，还包括至少一个位于所述测量部分中的阻碍物，由此使管道中的流体能够在阻碍物周围流动，阻碍物具有的形状和设置在管道中都是适于控制非基频声波波型的影响。
14.如权利要求13所述的一种系统，其中至少有一个所说的阻碍物位于所说测量部分的所说部分里。
15.如权利要求9所述的一种系统，其中在所说部分的所说管道具有一个包括不规则结构的内部表面，以抑制所说非基频声波波型的作用。
16.如权利要求15所述的一种系统，其中所说的不规则性包括在所说的内部表面上形成的凹槽，或使所说的内部表面变得粗糙不平。
17.如权利要求1所述的一种系统，其中测量部分包括一个圆柱形管道和至少一个位于管道中央的按流体动力学设计形状的阻碍物。
18.如权利要求17所述的一种系统，其中所说的阻碍物是一个椭球体并沿管道的主轴在传感器之间设置在管道的中央，由此导致横截面围绕阻碍物呈环形，其中在管壁和阻碍物之间的流动通道的宽度沿阻碍物发生变化。
19.如权利要求17所述的一种系统，其中形成测量部分的管道内部表面是粗糙不平的，所说的粗糙不平内部表面的作用是控制由至少一个传感器所接收的非基频声波波型的影响。
20.如权利要求1所述的一种系统，其中测量部分具有一个横截面为非圆形的形状，并与至少一个设置在测量部分中的按流体动力学设计形状的阻碍物相结合，这种结合用于控制由至少一个传感器接收的非基频声波波型的影响。
全文摘要
本发明揭示了一种流量测量系统，其中在超声波测量中使高次声波波型的影响受到抑制。在用于传输流体的管道(4，13)中设置有超声波传感器(2，3)。在传感器(2，3)之间的超声波信号以许多高次波型的形式传播，这些高次波型的速度低于传播时间能精确确定的基频波型的速度。在传感器之间的测量部分用于抑制非基频波型的影响，特别是抑制它们的传播。实现这种抑制的实施例包括在测量部分中设置按流体动力学设计形状的阻碍物(10；11，12)(图6，图7)，以及/或者使测量部分的截面不规则(图15A，15B)。
文档编号G01F1/66GK1119041SQ94191422
公开日1996年3月20日 申请日期1994年3月7日 优先权日1993年3月9日
发明者N·比格奈尔 申请人:联邦科学及工业研究组织, Agl咨询有限公司