超聲波流量探頭和監測管道內流體流動的方法與流程

本發明涉及超聲波流量探頭和用于監測管道例如排氣管內流體流動的方法。更具體但不排他地，本發明涉及一種用于監測管道內流體流動的超聲波流量探頭。

背景技術：

通常希望了解管道例如排氣管內流體流動的特性。其可能是因法規要求監測排放物，或者是期望改善工業處理的效率。被測量的流體流動特性可以包括：流體的平均流速、流體的速度分布、和/或流體內來自層流的任何偏移。

流體流動的測量技術有很多種，包括光學方法、電學方法以及超聲波方法。在典型的超聲波方法中，超聲波探頭沿路徑發射和反向接收超聲波，該路徑具有平行于流體流動的分量。發射和接收超聲波的傳播時間差可以與探頭間沿該路徑的流體的平均速度相關。

目前有一些用超聲波測量顆粒流動的裝置和方法。這些裝置包括整體地安裝到管道的壁內的傳感器、可被卡箍于管道外壁上的傳感器、以及可被插入管道內的探頭。

例如，公開號為WO2013/165670的國際專利申請揭露了一種管段式流量計。此流量計包括流道，通過該流道的流體流動將被測量。流量計具有嵌入流道周圍的第一傳感器和第二傳感器，用以發射和接收超聲波能量。傳感器被整體地嵌入管段的壁內。傳感器也可以按類似方式通過開孔或鉆孔來安裝到管道的側面內。管段式流量計的安裝和制造成本可能會很高。而且，這類流量計的一個明顯的缺點是，如果沒有安裝和使用另外多對傳感器，將只能測量一個部位的流體流動。

例如，公開號為US2014/0000339的美國專利申請揭露了外夾式流量計，其從管道的外部進行測量。這種流量計的安裝相對簡單且具有成本效益，因為流量的測量不需要接觸流體。然而，管道通常傳送有大量噪聲，當流體的密度非常低，或者流體是氣體時，管道傳送的超聲波信號非常差，結果導致低的信噪比。

此外，上述流量計通常僅測量沿著管道直徑的流體流動的平均速度。對于可表示紊流的管道中特定位置的速度，其測量只能通過提供另外多對傳感器或大量地重新布置傳感器來實現。

例如EP0477419所公開的流量計，其配置為探針形式，用于采樣管道中的一部分流量，需要安裝口插入管道，并與管道成例如45度的角度。

本發明尋求解決上述問題。作為選擇地或者作為附加地，本發明尋求一種使用超聲波換能器來測量管道內的流體流動特性的改進方法和裝置。

技術實現要素：

根據第一方面，本發明提供一種超聲波流量探頭，其包括：安裝在管道的表面上并由此限定垂直于表面的安裝軸線的安裝件，安裝在安裝件上的支架（frame），安裝在支架上并沿主軸線對齊的多個超聲換能器；其中，支架和安裝件可配置為使得主軸線與安裝軸線成一角度，從而，在使用中，超聲換能器間傳遞的超聲波以與管道中流動的流體成一角度而傳送，例如大于0度并小于90度的角度。

可以理解的是，當安裝件安裝在表面上時，安裝軸線與表面垂直。本領域普通技術人員可以理解的是，通過安裝件來確定安裝軸線。還可以理解的是，安裝件可以按各種方式安裝于該表面。例如，安裝件可以固定于該表面。又如通過將安裝件穿過表面而將安裝件安裝于該表面。安裝件還可以通過該表面而固定，并因此認為被安裝在表面上。

根據第一方面，超聲波流量探頭可以插入管道內。在管道中流動的流體可以流經超聲波流量探頭。兩換能器可以發射并接收反向傳播的超聲波。然后可以確定超聲波的飛行時間，并且可以計算出流體流動的特性。

根據第一方面，超聲流量探頭將能夠直接測量管道內的流體流動。探頭的安裝件可以允許它被安裝于管道，而管道無需包括專門成一角度的管段。從而可在探頭的安裝過程中節省時間和成本。

超聲波流量探頭可以具有包括兩個臂的支架。每個臂上安裝超聲換能器。

主軸線和安裝軸線之間的角度可以是在大于0度且小于90度的范圍內。優選地，角度范圍為大于5度到小于85度，例如大于10度至小于80度的范圍，例如大于20度至小于70度的范圍。具有在此范圍內的角度是有利的，這意味著兩換能器之間的路徑具有平行于流體流動的分量。

支架可以安裝到安裝件，使得主軸線和安裝軸線之間的角度可調。這可允許主軸線被放置在與流體流動成一對于給定應用為最優的角度。主軸線和安裝軸線之間的角度可以調節為第一角度，以允許探頭插入到管道中，以及可調節為第二角度，以進行測量。這可以使得流量探頭被插入到的各種形狀和尺寸的管道內。主軸線和安裝軸線之間的角度可以通過自動致動系統調節。致動系統可以允許遠程更改主軸線的角度。這樣可以允許流量探頭在各種角度下進行測量。然后流體的速度分布可以在探頭的采樣區內確定，而不需要另外一對換能器。此外，這可以允許以不同的角度來進行測量而不會干擾或阻止流體流動。

超聲波流量探頭可以具有固定的角度于主軸線和安裝軸線間。這可以減少不同應用中探頭的制造成本，其中主軸線需要與安裝軸線成一特定角度。

超聲波流量探頭可以具有能夠繞安裝軸線旋轉的支架。這可允許主軸線被放置在與流體流動成一對于給定應用為最優的角度。支架繞安裝軸線的旋轉可通過致動系統調整，其可以是自動的。致動系統可以允許遠程更改支架繞安裝軸線的旋轉。這使得繞安裝軸線的旋轉能夠不干擾或阻止管道內的流體流動而發生。支架繞安裝軸線的旋轉可以允許流體的三維速度分布得以建立在探頭的采樣區內。

換能器的間隔可通過致動系統調整，其可以是自動的。換能器的可調整間距可以允許流量探頭的采樣區被調整為對于給定應用為最優的大小。換能器的間隔可以調整為允許探頭插入到管道內的第一位置，以及調整為用以進行測量的第二位置。這可使得流量探頭得以插入到各種形狀和尺寸的管道。超聲波流量探頭可以包括用于改變換能器的間隔的自動致動系統。這可使得換能器間隔得以調整而不干擾或阻止管道中的流體流動。

主軸線和安裝軸線之間的角度可配置為測量管道內流體流動的具體特性。這些特性可以包括流體的速度分布。

根據本發明的第二個方面，提供了一種用于監測管道內流體流動的方法，包括：提供包含沿主軸線對準的兩個超聲波換能器的超聲波流量探頭；將超聲波流量探頭插入管道；將超聲波流量探頭安裝于管道的表面；調整探頭，使得主軸線與安裝軸線成一角度，而安裝軸線垂直于表面；并通過以下測量流體流動的特性：在兩個換能器之間反向傳播超聲波；確定超聲波的飛行時間；以及根據飛行時間計算流體流動的特性。

將超聲波流量探頭安裝于管道的表面的步驟可以，例如，包括將超聲波流量探頭安裝到表面或穿過表面，其可以是管道的內表面。

這樣的這種用于監測流體流動的方法允許直接測量流體流動。因此，管道無需包括專門成一角度的管段。這樣可減少與安裝探頭相關聯的時間和成本。主軸線與安裝軸線間所成角度的調節可以允許探頭被放置在一對于給定應用為最優的角度。也可以重新調整已安裝的探頭。

主軸線和安裝軸線間的角度可以在值為大于0度小于90度的范圍內調整。因而有可能將主軸線設置為與流體流動的平均速度成一角度。主軸線和安裝軸線之間的角度在探頭插入管道期間可以調整為零度，而在測量期間可以調整為大于0度小于90度的值。這使得流量探頭得以插入各種形狀和大小的管道內。主軸線和安裝軸線之間的角度可通過致動系統調整，其可以是自動的。致動系統可以允許遠程更改主軸線的角度。這使得可以在不同角度下進行測量以改變主軸線的角度，而不會干擾管道內的流體流動。

該方法可以包括在測量之前通過繞安裝軸線旋轉來調整支架。這可允許主軸線被放置在與流體流動成一對于給定應用為最優的角度。支架繞安裝軸線的旋轉可通過致動系統調整，其可以是自動的。這使得繞安裝軸線的旋轉能夠不干擾或阻止管道內的流體流動。

該方法可以包括在測量之前調整換能器的間隔。這一調整可通過致動系統調整，其可以是自動的。換能器間隔的調整可以允許流量探頭的采樣區被調整為對于給定應用為最優的大小。換能器的間隔可以調整到第一位置以允許探頭插入到管道內，以及調整到第二位置以進行測量。這可使得流量探頭得以插入到的各種形狀和尺寸的管道。超聲波流量探頭可以包括用于改變換能器的間隔的自動致動系統。這可使得換能器間隔得以調整而不干擾或阻止管道中的流體流動。

該方法可以包括調整主軸線和安裝軸線之間的角度，以測量管道內流體流動的具體特性。這些特性可以包括流體的速度分布。測量可以包括在一角度范圍內掃描主軸線，其中一個或多個測量可在該角度范圍內進行。

應當理解的是，此處所述的關于本發明一個方面的特征可并入本發明的另一方面。例如，本發明的方法可包括在此所述的本發明的裝置的任一特征，且反之亦然。

附圖說明

本發明的實施例將參照示意圖并僅以示例的方式來描述，其中：

圖1示出了根據本發明第一實施例的超聲波流量探頭的側視圖；

圖2示出了圖1的超聲波流量探頭的端視圖；

圖3示出了圖1的超聲波流量探頭的透視圖。

具體實施方式

圖1、圖2和圖3示出了第一實施例的超聲波流量探頭100，其包括：安裝件101、安裝在安裝件101上的支架103、以及安裝在支架103上的兩個超聲換能器105。

安裝件101是圓筒狀部件，當探頭100安裝于一表面上，安裝件遠離該表面而延伸，且圓筒的軸線沿安裝軸線B對齊。安裝件101的一端部設置安裝板102，其安裝在探頭100所安裝的表面上。例如，安裝板102可以固定到該表面或者穿過該表面。在本實施例中，由于安裝板102與表面對準，所以安裝軸線B垂直于安裝板102。

支架103包括兩個臂104、106。每個臂104、106的一端安裝到安裝件101的自由端。超聲換能器105安裝到每個臂104、106的另一端。換能器105沿主軸線A對齊并彼此面對。主軸線A與安裝軸線B成一角度。第一臂104平行于安裝軸線B而延伸一段短距離，然后臂104彎曲并沿主軸線A延伸一段短距離。換能器105安裝在臂104的端部。第二臂106毗鄰第一臂104安裝。第二臂平行于安裝軸線B而延伸一段短距離，然后臂106彎曲并平行于主軸線A延伸。第二臂106延伸得比第一臂104距離安裝件還遠。遠離第二臂106的安裝端的一側，第二臂106形成U形彎，使得安裝在第二臂106上的換能器得以面對安裝在第一臂104上的換能器。

在固定之前，安裝板102可以繞軸線B旋轉，以找到軸線A所在的適合于所需測量的流速的角度。

可選地，安裝件101的端部可以安裝致動系統109。致動系統109控制支架103繞安裝軸線B的旋轉

安裝件101和支架103之間放置部件107。部件107可以是鉸接構件，其允許軸線A的角度可相對于軸線B改變。第二致動系統（未示出）工作于部件107上，并控制主軸線A和安裝軸線B之間的角度。致動系統受控制模塊或計算機（未示出）遠程控制。本領域技術人員應當知道如何使用適當的致動系統。

流量探頭100可以安裝在管道的壁上，例如可以通過將安裝件102固定到或穿過壁來實現。管道中流動的流體將經過兩換能器105。致動系統用于將主軸線A的角度設置為合適于測量。在本發明的一些實施例中，致動系統在一角度范圍內掃描支架，在此期間可以取得許多測量結果。在測量過程中，兩換能器105發射并接收反向傳播的超聲波，然后確定超聲波飛行時間，并計算流體流動的期望特性。

盡管已經結合特定實施例描述和闡釋本發明，本領域普通技術人員可以理解的是，本發明自身可有并未限于在此具體描述的各種變化。在此僅通過實施例的方式描述一些可能的變化。

雖然上述超聲波流量探頭包括致動系統，在本發明的一些實施例中，超聲波流量探頭可以具有固定支架和安裝件，而不具有無致動系統。在另一實施例中，超聲波流量探頭可以包括用于控制換能器間隔的自動致動系統。自動致動系統安裝到支架和兩超聲換能器安裝在致動系統上。

在前面的描述中，提到的整體或元件，眾所周知它們是顯而易見的或可預見的相等物，此類相等物在本文中單獨列出。應當參照權利要求書來確定本發明真正的保護范圍，并解釋為涵蓋任何這樣的相等物。讀者可以理解的是，本發明的整體或特征被描述為優選、有利、方便或類似情況均是可選擇，而非用于限制獨立權利要求的范圍。此外，應該理解的是，這些可選的整體或特征，在本發明的一些實施例中可能有益，但可能不是想要的，并且可能因此在其它實施例中不存在。