單收發器超聲流量計設備及方法
【專利摘要】單個波束形成超聲換能器元件陣列(210)的元件被選擇性地激活，從而將兩個或更多個超聲波束(220-222-224、230-232-234)引導到安裝到或者制作在管道214內表面的已知位置處的一系列聲學鏡(255、260、265)。超聲波束(220-222-224、230-232-234)在被單個換能器陣列(210)接收返回之前，通過流過管道(214)的流體以已知角度穿過測量路徑段(224、234)。根據減去由已知長度的非測量路徑段(220、230、222、232)提供的飛行時間(TOF)分量后的沿第一和第二超聲波束路徑(220-222-224、230-232-234)的TOF差計算沿流體流動路徑的流體流動速率。TOF中的差由沿第一測量路徑段(224)的增加的下游流體流動速率矢量分量和沿第二測量路徑段(234)的減少的上游流體流動速率矢量分量引起。
【專利說明】單收發器超聲流量計設備及方法
【技術領域】
[0001]本文所描述的結構和方法涉及管道以及管路中流體流速的測量，包括比較通過流體發送的超聲脈沖的飛行時間(T0F)從而檢測下游流體速率以及上游流體速率對T0F做出的貢獻。
【背景技術】
[0002]圖1示出根據現有技術的流體流量測量技術的現有技術示意圖。第一超聲換能器110位于管道120上游的壁115處，第二超聲換能器125位于管道120下游的壁130處。
[0003]第一超聲信號從上游換能器110發射，并且穿過路徑135A在下游換能器125處接收。測量第一超聲信號發送和接收之間的飛行時間(T0F)T(1，2)。第二超聲信號從下游換能器125發射，并且穿過路徑135B在上游換能器110處接收。測量第二超聲信號發送和接收之間的TOF T(2，1)。路徑135Α和135Β長度L相等。每條路徑135Α和135Β與管道120縱軸線成角度Θ。
[0004]穿過管道120的流體流動速率提高了下游角度Θ上傳播的超聲信號的速率，從而降低T0F(1，2)。同樣地，穿過管道120的流體流動速率阻礙了上游角度Θ上傳播的超聲信號的速率，從而增加T0F(2，1)。
[0005]具體來說，穿過路徑135A的第一超聲信號的速率是通過穿過管道120的靜態型流體傳播的超聲能量的速率C和沿路徑135A的流體速率U的速率矢量分量v的總和。U是平行于管道120的縱軸線流動的流體的總速率。也就是說，穿過長度為L的路徑135A的第一超聲信號的總速率等于C+v。因此TOF T(l，2)為:T(l，2)=(距離)/(速度)=L/(C+v)。
[0006]同樣地，穿過路徑135B的第二超聲信號的速率為通過穿過管道120的靜態型流體傳播的超聲能量的速率C與沿路徑135B的流體速率U的速率矢量分量v之間的差。也就是說，穿過長度為L的路徑135B的第二超聲信號的總速率等于C-v。因此TOF T(2，1)為:Τ (2,1)=(距離)/ 速度)=L/ (C-v)。
[0007]穿過靜態流體的超聲能量的速率C對于流過管道120的具體流體是常量。因此，測得的T(l，2)和T(2，l)提供上述兩個方程式，其中ν和L未知。求解上述兩個方程式獲得ν:
「 ? ?ΓΤ(2,1)-Τ(1,2)"
[0008]V =--——
2[Τ(1,2)*Τ(2,1)_
[0009]然而，TOF的測量值僅考慮沿流體流動速率U的測量路徑135A和135B的矢量分量V。整個流體流動速率U等于v/cos Θ。因此:
「 ^ JT L 「了(2，1)-了(1，2)_
[0010]U =--^
2cos4T(l,2)*T(2,l)_
【發明內容】
[0011]本文所公開的設備和方法使用波束形成超聲換能器元件陣列測量流過管路或管道的流體流速，其中超聲換能器元件能夠安裝在管路或管道壁上的單個位置(本公開中所使用的術語“管道”和“管路”含義相同。)。波束形成驅動器電路與超聲換能器元件陣列聯合以提供從陣列發射以及在陣列處接收的超聲能量的方向性控制。得到的超聲波束通過安裝或者制作在管道內表面的已知位置上的一系列聲學鏡引導返回單個超聲陣列。本文所述的實施例在商業上的優點在于它們采用單個超聲換能器/收發器單元而不是多個單元。這樣做能夠降低與超聲換能器自身相關的成本，以及管道內的安裝成本和安裝后的校準成本。
[0012]波束形成驅動器電路選擇性地激活陣列的換能器元件，從而將兩個或更多個輸出超聲波束通過流過管道的流體弓I導到一個或更多個聲學鏡。在一些實施例中，聲學鏡安裝在管道的內壁上。超聲波束沿兩種類型的路徑段行進，這兩種類型的路徑段通過它們對波束TOF的效應被分類。“測量”超聲路徑段以與管道縱軸線成小于90度的角度穿過流體流動路徑并包括上游或下游流體流動速率分量。“非測量”路徑段要么以與管道縱軸線成90度的角度穿過流體流動路徑，要么放置在管道內壁附近，在此處，流體流動速率基本為零。在兩種情況下，非測量路徑段有效地排除上游和下游流體流動速率分量。
[0013]沿流體流動路徑的流體流動速率以及流體流動容積根據先前所呈現的實例中描述的TOF測量值計算。然而，在所公開的設備以及方法的情況下，從所測量的TOF總值中減去長度已知的非測量路徑段對TOF時間的貢獻。這樣做使得根據測量路徑段的TOF測量值部分計算流體流動速率以及容積。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為示出流體流量測量技術的現有技術示意圖。
[0015]圖2為根據本發明的各個示例性實施例示出采用單波束形成超聲換能器陣列的流體流量測量裝置的示意圖。
[0016]圖3為根據各個示例性實施例示出采用一維波束形成超聲換能器陣列的流體流量測量裝置的示意圖。
[0017]圖4為根據各個示例性實施例示出采用單個二維波束形成超聲換能器陣列的流體流量測量裝置的示意圖。
[0018]圖5為根據各個示例性實施例示出采用單個凸面三維波束形成超聲換能器陣列的流體流量測量裝置的示意圖。
[0019]圖6為根據各個示例性實施例示出采用單個凸面三維波束形成超聲換能器陣列的流體流量測量裝置的示意圖。
[0020]圖7為根據各個示例性實施例示出采用單波束形成超聲換能器陣列的流體流量測量裝置的示意圖，其中所述單波束形成超聲換能器陣列被配置為附接到一維子陣列的二維子陣列。
[0021]圖8為根據各個實例活動示出流體流量測量的方法的流程圖。
[0022]圖9為根據各個實例活動示出與實現流體流量測量方法的流體流量測量裝置相關的超聲波束序列的意圖。
[0023]圖10為根據各個實例活動示出與實現流體流量測量方法的流體流量測量裝置相關的超聲波束序列的意圖。
[0024]圖11為根據各個實例活動示出與實現流體流量測量方法的流體流量測量裝置相關的超聲波束序列的意圖。
[0025]圖12為根據各個實例活動示出與實現流體流量測量方法的流體流量測量裝置相關的超聲波束序列的示意圖，其包括受保護的流量屏障內的超聲波束路徑段。
[0026]圖13為示出根據各個實例活動的流體流量測量方法的流程圖。
[0027]圖14根據各個實例活動示出由單波束形成超聲換能器陣列同時發射的超聲波束序列，其與實現流體流量測量方法的流體流量測量裝置相關。
[0028]圖15為根據各個實例活動示出超聲波束序列實例，每個超聲波束從單波束形成超聲換能器陣列以不同的超聲頻率發射，所述超聲波束序列與實現流體流量測量方法的流體流量測量裝置相關聯。
【具體實施方式】
[0029]圖2為根據各個示例性實施例示出采用單波束形成超聲換能器陣列210的流體流量測量裝置205。換能器陣列210包括單獨可選擇的超聲換能器元件且能夠安裝在管道214的壁212上的單個位置處。流體流量測量裝置205提供對從換能器元件陣列210 (例如，與波束路徑220-222-224相關的波束路徑段220和224以及與波束路徑230-232-234相關的波束路徑段230和234)發射并在換能器元件陣列210處接收的超聲能量的方向控制。
[0030]單波束形成超聲換能器陣列210的換能器元件包括大體積壓電換能器元件、容性微機械超聲換能器(CMUT)元件、壓電微機械超聲換能器(PMUT)元件或者它們的組合，如下面進一步描述的。
[0031]流體流量測量裝置205還包括波束形成驅動器電路250，其通信地耦合到波束形成超聲傳感器陣列210。波束形成驅動器電路250選擇性地激活換能器元件陣列210中的換能器元件的一個或更多個第一子陣列，從而引導兩個或者更多個輸出超聲波束通過流過管道的流體。超聲波束行進到安裝在管道內壁上的一個或更多個聲學鏡并從一個或者更多個聲學鏡行進(例如，與路徑220-222-224相關的聲學鏡255和260，以及與路徑230-232-234相關的聲學鏡255和265)。需要注意的是，在一些實施例中，聲學鏡(一個或更多個)可以包括管道內壁的一部分。
[0032]波束形成驅動器電路250還選擇性地激活來自陣列210的換能器元件的一個或更多個第二子陣列，從而感測以選定角度反射返回的信號(例如，沿著波束路徑段224和234的反射返回的信號，其分別與沿著路徑段220和230的兩個輸出超聲波束中每一束相關)。
[0033]一些實施例中，換能器元件的第一和第二子陣列可以包括相同的元件和/或可以包含超聲換能器元件陣列210中的所有元件。子陣列是否用于對發射和接收的超聲波束進行方向控制取決于波束形成驅動器電路250控制的超聲換能器元件陣列210實施的波束形成技術。
[0034]一些波束形成技術，例如，可以利用第一子陣列元件沿路徑段220和230引導出射波束。第二子陣列可用于監聽來自測量路徑224方向的第一返回信號，并且第三子陣列可用于監聽來自測量路徑234方向的第二返回信號。一些實施例可使用相控陣列技術選擇性地激勵超聲換能器元件陣列210的單個元件和/或元件的子陣列，從而控制波束瓣形成，從而控制波束方向。尤其，在時域、頻域、相位域和幅值域的一個或更多個中可選擇地激勵單獨元件和/或元件的子陣列。
[0035]流體流量測量裝置205還包括控制和測量模塊275，其通信地耦合到換能器元件陣列210。控制和測量模塊275測量兩個或更多個超聲波束中的每一個(例如，與波束路徑220-222-224以及230-232-234相關的波束)從換能器元件陣列210發射到在陣列210處接收相應返回的信號的T0F。
[0036]控制和測量模塊275根據分別穿過第一和第二路徑220-222-224和230-232-234的兩束波束之間的TOF差值計算通過管道214的流體流動速度。TOF的至少一部分差值源自沿著第一路徑220-222-224測量段224的增加的下游流體流動速率矢量分量。TOF的另一部分差值源自沿著第二路徑230-232-234的測量段234的減少的下游流體流動速率矢量分量。兩個測量段224和234都以與管道縱軸線成小于90度的角度穿過流體。一些實施例中，第一和第二路徑測量段224和234等長，并且相應的下游和上游流體流動速率分量幅值相同、方向相反。
[0037]一些流體流量測量裝置205的實施例中，聲學鏡(一個或更多個)可以經配置以沿著管道的內壁在上游方向反射超聲波束的一個(在此處，流體的流速為零或者基本為零)，并且沿著管道內壁在下游方向反射超聲波束的另一個(在此處，流體流速為零或者基本為零)。
[0038]圖3-5為根據各個示例性實施例示出采用波束形成超聲換能器元件陣列210A-210C的流體流量測量裝置205的示意圖。換能器陣列210A-210C可分別形成為一維陣列，二維陣列和三維陣列。圖5的陣列210C通過向圖4的陣列210B加入凸起曲面而形成為三維的。
[0039]圖6為根據各個示例性實施例示出采用凸面三維波束形成超聲換能器陣列210C的流體流量測量裝置205的示意圖。陣列210C安裝在管道214處并且示出波束路徑(例如，圖2的波束路徑230-232-234)。從陣列發射的波束路徑(例如，波束路徑段230)以及在陣列處接收的波束路徑(例如，波束路徑段234)之間的角度差可以由陣列兩端的凸出曲面、如下進一步所述的電子波束方向控制或者兩者產生。
[0040]圖7為根據各個示例性實施例示出采用單波束形成超聲換能器陣列210D的流體流量測量裝置205的示意圖。陣列210D形成為換能器元件的多個子陣列(例如，與一維子陣列715鄰接的二維子陣列710)。換能器元件的多個子陣列能夠沿著從陣列210D延伸的波束路徑和/或延伸到陣列210D的波束路徑發射超聲波束，兩個波束路徑都平行且垂直于管道214的縱軸線。
[0041]圖8為根據各個實例活動示出流體流量測量的方法800的流程圖。方法800在方框810處開始，選擇性地激活能夠安裝在管道壁的單個位置處的換能器元件陣列中的元件(例如，圖2的換能器元件陣列210)。換能器元件在第一時間被選擇性地激活從而產生被朝向聲學鏡(例如，聲學鏡255)引導的第一超聲波束(例如，超聲波束段220)。聲學鏡與第一系列聲學鏡(例如，聲學鏡系列255和260)相關。
[0042]方法800包括在方框815處沿第一路徑(例如，圖2的路徑220_222_224)引導第一超聲波束。第一路徑包括一個或更多個第一路徑測量段(例如，路徑測量段224)。路徑測量段以與管道的縱軸線成小于90度的角度穿過流過管道的流體。路徑測量段在包括增加的下游流體流動速率矢量分量的方向上前進。方法800還包括在方框820處在第二時間在換能器元件陣列處接收返回的第一超聲波束。
[0043]方法800還包括在方框825處在換能器元件陣列處產生第二超聲波束(例如，圖2的超聲波束段230)。第二超聲波束在第三時間被引導朝向與第二系列聲學鏡(例如，圖2的聲學鏡系列255和265)相關的聲學鏡(例如，聲學鏡255)。
[0044]方法800在方框830處繼續，沿著第二路徑(例如，圖2的路徑230_232_234)引導第二超聲波束。第二路徑包括一個或更多個第二路徑測量段(例如，圖2的路徑測量段234)。第二路徑測量段以與管道的縱軸線成小于90度的角度穿過流過管道的流體。路徑測量度在包括減少的上游流體流動速率矢量分量的方向上行進。方法800還包括在方框835處，在第四時間在換能器元件的單個陣列處接收返回的第二超聲波束。
[0045]方法800在方框840處終止，如上面詳細討論的計算通過管道的流體流動速度。流體流動速度是第一和第二超聲波束之間的TOF的差值的函數。TOF的至少一部分差值是沿著第一路徑測量段的增加下游流體流動速率矢量分量以及沿著第二路徑測量段的減小的下游流體流動速率矢量分量的結果。在方法800的一些實施方式中，第一和第二路徑等長，并且下游和上游流體流動速率矢量分量幅值相同、方向相反。
[0046]圖9-11示出實現方法800的流體流量測量裝置205產生的超聲波束的示例性序列圖。方法800的一些實施方式包括沿著管道214的內壁(在此處，流體的流速基本上為零)反射第一和第二超聲波束。實例包括圖2的波束路徑段222和232、圖9的路徑段922和932和圖10的路徑段1022、1026、1030以及1034。
[0047]方法800的一些實施方式包括穿過換能器元件陣列210和與換能器元件陣列210相對的單個聲學鏡或管道214的內壁之間的第一和第二路徑測量段，如圖11所示的路徑1120-1122 和 1130-1132。
[0048]圖12為根據各個實例活動示出與實現方法800的流體流量測量裝置205相關的超聲波束序列的示意圖，其包括受保護的流動屏障內的超聲波束路徑段。方法800可以包括在沿著管道214的內壁形成的封閉通道1250內反射第一和第二超聲波束的非測量路徑段(例如，路徑段1222和1232)。這樣做進一步將第一和第二超聲波束的非測量路徑段與流體隔離。
[0049]在方法800的一些版本中，第一和第二路徑的每個可以包括各種類型的路徑段。路徑段類型包括與管道的縱軸線正交的路徑段(例如，圖2的路徑段220和230 ;圖9的路徑段924和934 ;圖10的路徑段1020和1036 ;和圖12的路徑段1220和1230)。沿著這種正交路徑段的流體流動速率分量為零或者基本為零。第一和第二路徑的每個還可以包括沿管道的內壁(在此處，流體的流速基本為零，如前所述)延伸的路段。每個路徑附加包括一個或更多個路徑測量段(例如，圖2的路徑測量段224和234 ;圖9的路徑測量段920和930 ;圖10的路徑測量段1024和1032 ;圖11的路徑測量段1120、1122、1130和1132和圖12的路徑測量段1224和1234)。
[0050]方法800的一些實施方式包括穿過換能器元件陣列和第一聲學鏡之間的第一路徑測量段以及穿過換能器元件陣列和第二聲學鏡之間的第二路徑測量段(例如，圖2的路徑測量段224和234 ;圖9的路徑測量段920和930 ;圖12的路徑測量段1224和1234)。方法800的其他實施方式包括穿過聲學鏡之間的路徑測量段(例如，圖10的路徑測量段1024和 1032)。
[0051]圖13為根據各個實例活動示出流體流量測量的方法1300的流程圖。附圖14為根據各個實例活動，示出同時由單波束形成換能器陣列210發射的超聲波束序列，其與實現方法1300的流體流量測量裝置205相關。與方法1300相關的活動參考附圖14中所示的波束序列在下面進行描述。
[0052]方法1300從方框1310開始，選擇性地激活能夠安裝在管道壁上的單個位置處的換能器元件陣列(例如，圖14的換能器元件陣列210)中的元件。在第一時間選擇性地激活換能器元件從而產生被朝向一個或更多個聲學鏡(例如，聲學鏡1450)引導的第一和第二超聲波束(例如，超聲波束段1420A和1420B)。聲學鏡(一個或更多個)與第一系列和第二系列聲學鏡相關(例如，聲學鏡系列1450和1455以及聲學鏡系列1450和1460)。
[0053]方法1300包括在方框1315處，沿第一路徑(例如，圖2的路徑1420A-1422A-1424A)引導第一超聲波束。第一路徑包括一個或更多個第一路徑測量段(例如，路徑測量段1424A)。路徑測量段以與管道的縱軸線成小于90度的角度穿過流過管道的流體。路徑測量段在包括增加的下游流體流動速率矢量分量的方向上行進。
[0054]方法1300還包括在方框1320處，沿第二路徑(例如，圖14的路徑1420B-1422B-1424B)引導第二超聲波束。第二路徑包括一個或更多個第二路徑測量段(例如，路徑測量段1424B)。路徑測量段以與管道的縱軸線成小于90度的角度穿過流過管道的流體。路徑測量段在包括減少的上游流體流動速率矢量分量的方向上行進。
[0055]方法1300還包括在方框1325處，在第二時間在單個換能器元件陣列處接收返回的第一超聲波束。方法1300還包括在方框1335處，在第三時間在單個換能器元件陣列處接收返回的第二超聲波束。在方框1340處，方法1300的一些版本基于在單個換能器陣列處由返回信號產生的干擾圖案來區分第一和第二返回信號。
[0056]圖15為根據各個示例性序列，示出超聲波束的示例序列的示意圖，每個超聲波束都從單波束形成超聲換能器陣列以不同的超聲頻率發射，所述超聲波束的示例序列與實現方法1300的流體流量測量裝置205相關。穿過波束路徑1520F1-1522F1-1524F1的頻率Fl的超聲波束與穿過波束路徑1520F2-1522F2-1524F2的頻率F2的超聲波束被同時發射。在方框1345處,方法1300的一些版本基于超聲發射頻率Fl和F2區分第一和第二返回信號。
[0057]方法1300在方框1350處終止，如上面詳細討論的，計算通過管道的流體流動速度。流體流動速度是第一和第二超聲波束之間的TOF差值的函數。TOF的至少一部分差值是沿第一路徑測量段的增加的下游流體流動速率矢量分量以及沿第二路徑測量段的減少的上游流體流動速率矢量分量的結果。方法1300的一些實施方式中，第一和第二路徑等長，并且下游和上游流體流動速率矢量分量幅值相同、方向相反。
[0058]本文所述的設備、系統和方法可以用于除了單一傳感器流體流量測量之外的各種應用中。單一傳感器流體流量測量的設備205、方法800和1300的實例旨在提供對各種實施例的各種方法和結構的順序的普通理解。并不打算用于對方法、設備和系統的所有元件和特征進行完整的說明，這些方法、設備和系統可以利用這些示例性序列和結構。各種實施例可以并入流體流動系統中以用于工業、石油化工、醫藥、科研、計算機以及其他應用。
[0059]本文公開的設備和方法包括安裝在管道表面的單個位置處的單超聲換能器元件陣列以及相關的驅動器和測量電路，從而對在陣列處發射和接收的超聲能量提供方向控制。得到的超聲波束被安裝在或者制作在管道內表面的已知位置處的一系列聲學鏡引導回到單超聲陣列。本文所說明的實施例在商業上的優點在于它們使用單超聲換能器/收發器單元而不是多個單元。這樣做降低了與超聲換能器自身相關的成本以及在管道內安裝的成本和安裝后的校準成本。
[0060]通過示例而非限制的方式，附圖示出了本主題可以實施的具體方面。應當注意的是，連接線的一端或兩端的箭頭旨在示出電流流動，數據流動、邏輯流動等的一般方向。連接器線箭頭并不打算將這種流動限制到一個具體方向而排除任何相反方向的流動。所示的各種方面被足夠詳細地描述從而使本領域技術人員能夠實施本文所公開的教導。也可以使用其他方面或從其中推導，從而在不偏離本公開的范圍的情況下可以做出結構和邏輯替換以及改變。因此，具體實施例部分并不是限制意義。各個方面的寬度由所附權利要求以及這種權利要求賦予的等同物的整個范圍來限定。
[0061]本發明的主題的這些方面在此單獨或者合并地采用“發明”這一術語，僅僅是為了方便，而并不旨在在多于一個實際上已經公開的情況下，主動地將該申請限定到任何單獨的發明或者發明理念。因此，盡管在此已經示出并且描述了具體方面，但是任何計算出來的能夠實現相同目的的配置可以替換所示的具體方面。本公開旨在覆蓋各個方面的任意一個或全部的適應性或者變體。
[0062]提供本公開的摘要以滿足37 C.F.R.§ 1.72 (b)，其要求摘要允許讀者快速確定所公開技術的性質。應該理解其提交并不是用于解釋或者限定權利要求的范圍或意義。在前面的【具體實施方式】部分，各種特征以單個實施例一起分組，其目的在于使得公開更流暢。這種公開的方法不被解釋為要求比每個權利要求中明確引用的特征更多的特征。相反，發明的主題可以在比單個公開的實施例的所有特征更少的特征中找到。據此，下面權利要求并入具體實施例中，其中每個權利要求自身代表一個獨立的實施例。
【權利要求】
1.一種流體流量測量設備，包括: 波束形成超聲換能器元件陣列，其能夠安裝在管道壁的單個位置處以提供超聲能量的方向控制，所述超聲能量從所述換能器元件陣列發射并在所述換能器元件陣列處接收；以及 波束形成驅動器電路，其通信地耦合到所述波束形成超聲換能器元件陣列，以選擇性地激活所述換能器元件陣列的至少一個第一子陣列，從而將至少兩個輸出的超聲波束通過流過所述管道的流體引導到安裝在所述管道的內壁處的至少一個聲學鏡，并選擇性地激活換能器元件的至少一個第二子陣列，從而以所選擇的角度感測與所述至少兩個輸出的超聲波束相關的反射的返回信號。
2.根據權利要求1所述的流體流量測量設備，進一步包括: 控制和測量模塊，其通信地耦合到所述波束形成超聲換能器元件陣列以測量所述至少兩個超聲波束從所述超聲元件陣列的發射到所述超聲元件陣列處所述返回信號的接收的飛行時間即TOF，并根據能夠穿過第一路徑的所述至少兩個超聲波束中的第一個和能夠穿過第二路徑的所述至少兩個超聲波束中的第二個之間的TOF的差計算流體流動速度，TOF的至少一部分差是由沿第一路徑測量段的增加的下游流體流動速率矢量分量和沿第二路徑測量段的減少的上游流體流動速率矢量分量引起，其中所述第一路徑測量段以與管道的縱軸線成小于90度的角度穿過所述流體，所述第二路徑測量段以與管道的縱軸線成小于90度的角度穿過所述流體。
3.根據權利要求2所述的流體流量測量設備，所述第一和第二路徑測量段長度相等，并且所述下游和上游流體流動速率分量的幅值相同、方向相反。
4.根據權利要求1所述的流體流量測量設備，所述換能器元件的第一和第二子陣列包括相同元件。
5.根據權利要求1所述的流體流量測量設備，所述至少一個聲學鏡經配置以沿所述管道的所述內壁反射所述第一和第二超聲波束，其中所述流體的流速基本為零。
6.根據權利要求1所述的流體流量測量設備，所述波束形成超聲換能器元件陣列形成為一維陣列、二維陣列或三維陣列中的至少一個。
7.根據權利要求1所述的流體流量測量設備，所述波束形成換能器元件陣列形成為多個換能器元件子陣列，所述多個換能器元件子陣列能夠沿著從所述波束形成換能器元件陣列延伸和/或延伸到所述波束形成換能器元件陣列的波束路徑段投射所述超聲波束，所述波束路徑段兩者都平行且垂直于所述管道的縱軸線。
8.根據權利要求1所述的流體流量測量設備，所述換能器元件陣列的至少一個換能器元件選自包括下列項的組:大體積壓電換能器元件、容性微機械超聲換能器元件，即CMUT元件，以及壓電微機械超聲換能器元件，即PMUT元件。
9.根據權利要求1所述的流體流量測量設備，所述至少一個聲學鏡由所述管道的所述內壁的一部分形成。
10.一種流體流量測量方法，包括: 在第一時間，選擇性地激活能夠安裝在管道壁上的單個位置處的換能器元件陣列的元件，從而產生朝著與第一系列聲學鏡相關的聲學鏡引導的第一超聲波束； 沿包括至少一個第一路徑測量段的第一路徑引導所述第一超聲波束，從而在包括增加的下游流體流動速率矢量分量的方向上以與所述管道的縱軸線成小于90度的角度穿過流過所述管道的流體； 在第二時間，在所述換能器元件陣列處接收返回的所述第一超聲波束； 在第三時間,在所述換能器器兀件陣列處,生成朝向與第二系列聲學鏡相關的聲學鏡引導的第二超聲波束； 沿包括至少一個第二路徑測量段的第二路徑引導所述第二超聲波束，從而在包括減少的上游流體流動速率矢量分量的方向上以與所述管道的縱軸線成小于90度的角度穿過流過所述管道的流體； 在第四時間，在所述換能器元件陣列處接收返回的所述第二超聲波束； 根據所述第一和第二超聲波束之間的飛行時間即TOF的差計算流體流量速度，TOF的至少一部分差是由沿所述第一路徑測量段的增加的下游流體流動速率矢量分量以及沿所述第二路徑測量段的減少的下游流體流動速率矢量分量引起。
11.根據權利要求10所述的流體流量測量方法，其中所述第一和第二路徑長度相等，并且所述下游和上游流體流動速率矢量分量的幅值相同、方向相反。
12.根據權利要求10所述的流體流量測量方法，進一步包括: 沿所述管道的所述內壁反射所述第一和第二超聲波束，其中所述流體的流速基本為零。
13.根據權利要求10所述的流體流量測量方法，進一步包括: 在沿所述管道的所述內壁形成的密閉通道內反射所述第一和第二超聲波束，從而將所述第一和第二超聲波束與所述流體隔離。
14.根據權利要求10所述的流體流量測量方法，所述第一和第二路徑中的每一個包括與所述管道的所述縱軸線正交的段，以及沿所述管道的所述內壁延伸的段，其中所述流體的流速基本為零；所述第一路徑附加地包括所述第一路徑測量段，并且所述第二路徑附加地包括所述第二路徑測量段。
15.根據權利要求10所述的流體流量測量方法，進一步包括: 穿過所述換能器元件陣列和第一聲學鏡之間的所述第一路徑測量段；以及 穿過所述換能器元件陣列和第二聲學鏡之間的所述第二路徑測量段。
16.根據權利要求10所述的流體流量測量方法，進一步包括: 穿過兩個聲學鏡之間的所述第一和第二路徑測量段。
17.根據權利要求10所述的流體流量測量方法，進一步包括: 穿過所述換能器元件陣列和與所述換能器元件陣列相對的單個聲學鏡或所述管道的內壁的至少一個之間的所述第一和第二路徑測量段。
18.一種流體流量測量方法，包括: 在第一時間，選擇性地激活能夠安裝在管道壁上的單個位置處的換能器元件陣列的元件，從而生成第一超聲波束和第二超聲波束，所述第一超聲波束朝向與第一系列聲學鏡相關的聲學鏡引導，并且所述第二超聲波束朝向與第二系列聲學鏡相關的聲學鏡引導； 沿包括至少一個第一路徑測量段的第一路徑引導所述第一超聲波束，從而在增加的下游流體流動速率矢量分量的方向上以與所述管道的縱軸線成小于90度的角度穿過流過所述管道的流體； 在第二時間，在所述換能器元件陣列處接收返回的所述第一超聲波束； 沿包括至少一個第二路徑測量段的第二路徑引導所述第二超聲波束，從而在減少的上游流體流動速率矢量分量的方向上以與所述管道的所述縱軸線成小于90度的角度穿過流過所述管道的流體； 在第三時間，在所述換能器元件陣列處接收返回的所述第二超聲波束； 根據所述第一和第二超聲波束之間的飛行時間即TOF的差計算流體流量速度，TOF的至少一部分差是由沿所述第一路徑測量段的增加的下游流體流動速率矢量分量和沿所述第二路徑測量段的減少的上游流體流動速率矢量分量引起。
19.根據權利要求18所述的流體流量測量方法，進一步包括: 基于與所述換能器元件陣列處感測到的各自返回的信號相關的干涉圖案從所述第一和第二超聲波束中區分各自的返回信號。
20.根據權利要求18所述的流體流量測量方法，進一步包括: 通過以不同于發射所述第二超聲波束的頻率的頻率發射所述第一超聲波束，從所述第一和第二超聲波束中區分所述各自的返回信號。
【文檔編號】G01F1/66GK104296813SQ201410436316
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2013年7月19日
【發明者】M·西威爾, M·威特茨 申請人:德克薩斯儀器德國股份有限公司