用于識別氣流中存在液體的方法和裝置的制造方法

用于識別氣流中存在液體的方法和裝置的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于使用超聲波流量計(10)識別在管道內流動的氣流中存在液體(50)的方法，其中設置成對測量路徑，所述測量路徑關于中心軸豎直移位相同的預定距離，從而使其中一個位于中心軸上方的上部區域而另一個位于中心軸下方，并且其中在第一步(102)檢查最下面的測量路徑(30)是否提供關于氣體流速的有效測量值并在第二步(104)確定測量路徑對中每條測量路徑(30、36；32、34)的湍流值并建立兩個湍流值的比率，并在第三步(106)確定在測量路徑對的兩條測量路徑(30、36；32、34)上各自的聲速(SoS)并建立兩個聲速(SoS)的比率，而且當在第一步中提供無效測量值或當第二步中湍流值的比率偏離1超過一預定公差值或當在第三步中聲速比偏離1超過一預定公差值時會發出液體警告信號。
【專利說明】用于識別氣流中存在液體的方法和裝置
[0001] 本發明涉及一種用于識別在管道內流動的氣流中存在液體的方法以及一種超聲 波流量計，借助該超聲波流量計來實施所述方法。
[0002] 在過程流量計量技術中已知各種測量方法和測量裝置。超聲波測量儀被越來越多 地用于流量測量。從EP 2 428 776 B1中已知一種此類超聲波測量儀，其具有成對布置的超 聲波換能器，其中每對超聲波換能器定義了一條測量路徑，該測量路徑與縱軸(流動方向） 不成直角，從而使得被發出和接收的超聲波信號沿該測量路徑以與流動方向成不等于90° 的某一角度傳播。測量原理在于確定兩個此類超聲波信號的傳播時間差，所述超聲波信號 在測量路徑上往相反的方向傳播并因此具有一個在流動方向的分量和一個與流動方向相 反的分量。從所測量的傳播時間差可計算出流速并獲悉流量的管道截面。
[0003] 對于以下類型的流量計（例如用于大型天然氣管道以確定輸送的氣體量的流量 計)要求非常高的測量精度，這是因為天然氣的量巨大，在進行流量測量時極微小的偏差都 可能造成貨幣價值上的巨大差異。
[0004] 導致測量失真的一個因素是管道中存在液體。因此，如果測量區域中存在液體則 應及早發現，以便可以正確評估測量結果或者甚至可采取相應的對策。
[0005] 為此從EP 2 428 776 B1已知的是，確定兩個不同的、水平的、在平行的平面上的 氣體流速，其中所述平面位于管道中線的上方和下方并且與其距離相等。在理想情況下并 且在管道中沒有液體時，這兩個流速相同，且湍流度也相同，其中湍流在EP 2 428 776 B1 中被定義為在平面上流速的單個值的統計方差。如果現在分別建立兩個平面的湍流比和兩 個平面上的氣體流速比，則這些比率在理想情況下為1。若偏離1，則通常表示存在液體，因 為液體沉積在管道底部，所以對下面一條測量路徑的影響超過對遠處的上面一條測量路徑 的影響。因此，以這種方式獲得兩個指標，通過該指標可推斷出液體的存在。
[0006] 盡管這種解決方案已經提供了較好的結果，但仍希望有更好的指標，其更加靈敏 和/或對其它流量作出響應。
[0007] 因此，從現有技術出發，本發明的任務在于提供一種方法和一種裝置，借助其可更 好且更靈敏地識別出管道內的液體。
[0008] 所述任務通過具有權利要求1所述特征的方法和具有權利要求10所述特征的超聲 波流量計得以實現。
[0009] 用于識別在管道內流動的氣流中液體存在的、本發明所述的方法使用一種超聲波 流量計。所述流量計包括：
[0010] -水平的管段，氣體可以在流動方向上流動通過該管段并且該管段具有中心軸，
[0011] -至少一對等長的測量路徑，這些測量路徑彼此間隔開，相互平行地在分開的水平 平面上延伸并且關于流動方向有傾斜，
[0012] -測量路徑對的每個水平平面關于中心軸豎直地移位相同的預定距離，從而使得 其中所述平面中的一個位于中心軸上方的上部區域而另一個平面位于中心軸下方的下部 區域，
[0013] _在測量路徑的每端均布置有超聲波換能器，其中每個超聲波換能器被構造成用 于選擇性地充當超聲波發射器和超聲波接收器，從而使得在測量路徑上可以在兩個方向上 發射和接收超聲波信號，并且根據所測量的超聲波信號的傳播時間來確定測量路徑所在平 面中的氣體流速和此平面上氣體中的聲速(SoS)。
[0014] 根據本發明，所述方法有三步。
[0015] _在第一步中，檢查最下面的測量路徑是否提供關于氣體流速的有效測量值。
[0016] -在第二步中，通過多次測量在測量路徑的平面上的氣體流速來確定測量路徑對 中每條測量路徑的湍流值并建立兩個湍流值的比率。
[0017] -在第三步中，確定在測量路徑對中兩條測量路徑上的氣體中各自的聲速并建立 兩個聲速的比率。
[0018] 在下列情況會發出液體警告信號，即當在第一步中提供無效的測量值時，或者當 在第二步中所述比率偏離1超過一預定的公差值時，或者當在第三步中聲速比偏離1超過一 預定的公差值時。
[0019] 迄今為止并沒有一種三步式的方法。分步的優點在于，可以比較快，例如早在第一 步就將液體的積聚識別出來。
[0020] 第二步的識別原理原則上從EP 2 428 776 B1中已知。
[0021] 第三步是創新的。原本人們預期的是，遠離測量路徑的液體積聚不會影響氣體中 的聲速，原因在于氣體中的聲速獨立于湍流，因為其只是一種材料屬性。
[0022]盡管如此，本申請的發明人卻驚奇地發現，管段中的液體積聚對聲速已造成了足 夠的影響，使得本發明所述的評估是可能的，即使在測量路徑上根本沒有液體積聚也是如 此。推測可能的原因在于霧滴（Nebel.tr6pfchen )和其它顆粒，其頻率和/或組成似乎隨著 到液體積聚的距離而變化，這就是與液體積聚相距不同距離的平面中聲速不同的原因。在 這種情況下業已發現，本發明所述的評估甚至更靈敏，因此有可能在量較小時就可將液體 識別出來。
[0023]所述方法被構造成三步且有利的是，這三步依次循環進行，因為每步都具有不同 的靈敏度。
[0024] 第一步最不靈敏，但評估最快。因為只有最下面的測量路徑不提供氣體流速的測 量值時，其才位于液體內。隨后就沒必要再在另外兩步中進行進一步評估了。
[0025] 建立端流比的第二步相比于根據第一步來進行確定會更加靈敏。如果在第二步確 定了液體，理由是測得的比率大大偏離1，則表明存在液體且第三步可省略。
[0026]最后在第三步確定測量路徑對的聲速比。業已發現，聲速比顯然對管段中存在液 體的反應最靈敏。至少在實踐中已發現，該比率對前面兩步中沒有檢測出的情況作出響應， 從而使得在最后一個步驟中使用本方法并且有可能將比迄今為止更小量的液體識別出來。
[0027] 有利地，通過多次測量在測量路徑上的氣體流速將湍流值定義為標準偏差，如原 則上從EP 2 428 776 B1中已知的。
[0028] 用于識別液體存在的方法實際上只有在氣流存在的情況下才有意義，因此在本發 明的改進形式中提出，在第一個步驟開始之前先檢查氣體流速是否超過最小值，并且只有 超過最小值時才實施用于識別液體的步驟。所述最小值可以在任一測量路徑上確定。優選 地，可在上部平面上確定最小值，因為該處不大可能存在液體。而不應該在最下面的測量路 徑中，因為該處存在液體的可能性最尚。
[0029] 本發明所述的方法可以只需要一對測量路徑。但是若有兩對或兩對以上的測量路 徑，而這些測量路徑必需得布置在不同高度，則可更加精確地掃描束流剖面 (Strahlprofil)。此外，在測量路徑發生故障時可切換到一對或多對其它的測量路徑上。
[0030] 如果存在多對測量路徑，則可在第二和/或第三步驟中使用不同測量路徑對的測 量結構。適當組合所述測量結果可產生較高的準確度。
[0031] 在裝置方面，所述任務通過用于測量流經管道的氣流流量的超聲波流量計得以實 現。所述超聲波流量計包括：
[0032] -水平的管段，氣體可在流動方向上流動通過該管段并且該管段具有中心軸，
[0033]-至少一對等長的測量路徑，這些測量路徑彼此間隔開，相互平行地在分開的水平 平面上延伸并且關于流動方向傾斜，
[0034]-測量路徑對的每個水平平面關于中心軸豎直地移位相同的預定距離，從而使得 其中所述平面中的一個位于中心軸上方的上部區域而另一個平面位于中心軸下方的下部 區域，
[0035] _在測量路徑的每端均布置有超聲波換能器，其中每個超聲波換能器被構造成用 于選擇性地充當超聲波發射器和超聲波接收器，從而使得在測量路徑上可以在兩個方向上 發射和接收超聲波信號，并且根據所測量的超聲波信號的傳播時間一方面確定測量路徑所 在平面中的氣體流速而另一方面則確定在測量路徑平面上的氣體中的聲速，
[0036] -控制和評估單元，其被構造用于實施本發明所述的方法并識別管段中液體的存 在。
[0037] 下面將借助實施例并參考附圖來詳細闡述本發明。圖中顯示：
[0038] 圖1示出了根據本發明所述的超聲波流量計的透視圖；
[0039] 圖2和3示出了沿圖1的II-II線和III-III線的截面；
[0040 ]圖4示出了超聲波流量計在縱向方向上的視圖；
[0041 ]圖5示出了根據本發明所述的方法的流程圖。
[0042] 本發明所述的裝置10具有測量元件(Messaufnehmer)12,所述測量元件由布置在 連接法蘭14和16之間的管段13構成。所述管段13在其內部優選構造成圓形，并具有公稱尺 寸D，其對應于連接在連接法蘭14和16上的、未詳細示出的氣體管道。此外，在管道壁18中， 裝置10分別具有相對布置的成對超聲波換能器20、22、24、26，在附圖（圖2和3)中只示出了 其中幾個超聲波換能器，以下也簡稱探頭。超聲波換能器定義了測量路徑30、32、34、36，如 下所述（圖4)。裝置10具有評估單元70用于進行信號評估，所述評估單元可經由緊固法蘭固 定在測量元件12上。通過適當的電纜連接（其在附圖中未示出）可將探頭與評估單元70相 連。優選地，將本發明所述的、用于測量流速和/或流體流量的裝置用作氣表(GasziWer)。 [0043] 探頭20、22、24、26保持在探頭容納部40、42、44、46(圖2和3)中，所述容納部被構造 成管道壁18的兩個平坦的支承面56和58中的孔。支承面56和58彼此平行并且與管段13的中 心軸60構成不等于0°的角，所述中心軸也構成測量元件的軸和流量軸(圖2和3)。
[0044]分別相對的探頭容納部40-42、44-46彼此對準，從而使得在探頭容納部中使用的 探頭20、22、24、26彼此對準并定義出了測量路徑30、32、34、36 (圖4)。在這種情況下，探頭沿 相應的測量路徑30、32、34、36在其縱向方向上直線發送和接收超聲波信號。這樣一來，本實 施例的全部測量路徑彼此平行并且位于共同的垂直平面S(圖4)。每條測量路徑與平面Ev所 成角度為a，所述平面Ev垂直于中心軸60或流動方向72延伸。
[0045] 流過測量元件12內部的氣體流量用公知的方式來確定，其方式是首先確定氣體流 速，氣體流速通過測量超聲波信號的傳播時間差來實現，超聲波信號在測量路徑上往兩個 方向傳播并從而具有在流動方向上的分量和在與流動方向相反的方向上的分量。根據已知 管道截面可從流速計算出流量。在這種情況下，超聲波換能器被同時用作發射器和接收器， 從而使得超聲波信號的每條測量路徑都可在兩個方向上使用。
[0046] 根據在測量路徑上的超聲波信號的傳播時間可計算出測量路徑上氣體中的聲速 SoS(Speed Of Sound)。因此，聲速SoS是在相反方向傳播的兩個超聲波信號的速度的平均 值，即兩個超聲波換能器之間距離的兩倍除以來回兩個傳播時間的總和。
[0047] 在無干擾的、均質的、平流或湍流的理想情況下可能一條測量路徑就足以確定流 速，從而確定流量。因此，為了使橫截面上的氣流剖面(Strdmungsprofil)中的非均質性不 會使結果失真，設置了多條測量路徑，這些測量路徑會在不同位置，即與測量元件軸60相距 不同距離的位置來掃描流量剖面。根據測量路徑30、32、34、36的單個結果用適當的積分法 獲悉流量。因此，測量路徑30、32、34、36上下順次地布置在平行的、水平的平面￡1114112、 Eol、Eo2 上。
[0048] 現在，本發明要求測量路徑的另一種特別的布置。等長的兩條測量路徑總是構成 測量路徑對。在根據圖中所示的實施例中，測量路徑30和36以及32和34分別為一對。在測量 路徑對中，兩條測量路徑的長度相等，彼此平行并在分開的水平平面Eul和Eol或Eu2和E 〇2 中延伸。
[0049] 測量路徑對的每個水平平面在垂直方向上關于中心軸60移動相同的、預定的距離 dl或d2,從而使得其中平面Eol或Eo2中的一個位于中心軸60上方的上部區域而另一個平面 Eul或Eu2則位于中心軸60下方的下部區域。
[0050] 本發明所述的方法現在涉及識別在管段13中的液體50。為此，只使用對于流量確 定所需的測量。該方法的操作過程如下所述并在圖5中示意性示出：
[0051 ]在開始之后，首先在步驟100中檢查，是否有足夠的氣體流量，因為如果氣體流速 未超過最小值，即根本沒有流動或流動過緩，則所述方法將沒有任何意義。那么是否存在液 體50也就不重要了。所述最小值理論上可以在任一測量路徑上確定。優選應在最上面的平 面上確定最小值，因為該處最不可能存在液體。無論如何都不應該取最下面的測量路徑，因 為該處存在液體的可能性最尚。
[0052]在接下來的步驟102(第一步）中，檢查最下面的測量路徑30是否提供氣體流速的 有效測量值。因為如果管段13中存在大量液體50,使得液面在最下面的平面Eul以上，則整 個測量路徑就在液體中。然后很可能會測出對氣體無意義且因此無效的聲速SoS值，并由此 使得流速的測量無效。如果在步驟102中確定存在液體，則發出液體警告信號。后續的步驟 沒有必要再進行。
[0053]在步驟104(第二步）中，通過多次測量在測量路徑一個方向上的流速來確定測量 路徑對中每條測量路徑的湍流值并建立兩個湍流值的比率。湍流值例如可以通過多次測量 在測量路徑一個方向上的流速用標準偏差來定義。因為如果氣流強烈湍動，那么流速比在 沒這么強烈的湍流的情況下更強烈地散射。然后檢查湍流值的比率是否偏離1超過一預定 的公差值。若管段13中沒有液體50,則所述比率應該為1或至少非常接近1。但是如果所述比 率例如偏離超過10%，則表明存在液體。公差值應該為多少，必須根據經驗來確定。公差值 的上下偏差也可以不同。例如，公差值可以在以下范圍內，即使得所述比率介于0.9-1.15之 間。如果在步驟104中確定存在液體，則發出液體警告信號。后續的步驟沒有必要再進行。 [0054]最后，在步驟106(第三步）中，確定測量路徑對的兩條測量路徑上各自的聲速SoS 并建立兩個聲速的比率。然后，類似于湍流值的情況，檢查聲速的比率是否偏離1超過預定 的公差值。在此列舉一些數值當作實例。所述比率的極限值例如為0.999和1.001。
[0055]在超聲波流量計工作期間，優選持續地實施本發明所述的方法并且依次循環進行 所述的三步。
【主權項】
1. 一種用于識別在管道內流動的氣流中存在液體（50)的方法，其使用超聲波流量計 (10)來實施，其中所述超聲波流量計（10)具有水平的管段（13)，氣體能夠在流動方向（72) 上流動通過所述管段且所述管段具有中心軸(60)，并且所述超聲波流量計（10)包括至少一 對等長的測量路徑(30、36;32、34)，所述測量路徑彼此間隔開，相互平行地在分開的水平平 面(Eul和Eol;Eu2和E 〇2)上延伸并且關于所述流動方向（72)傾斜，其中成對測量路徑(30、 36;32、34)的每個水平平面化1114〇1$1124〇2)關于中心軸(60)豎直地移位相同的預定距 離(dl;d2)，從而使得平面(Eol;Eo2)中的一個位于所述中心軸(60)上方的上部區域而另一 個平面(Eul ;Eu2)位于所述中心軸(60)下方的下部區域，其中在測量路徑(30;32)的每端均 布置有超聲波換能器(24、26;20、22)并且其中每個超聲波換能器(24、26;20、22)被構造成 用于選擇性地充當超聲波發射器和超聲波接收器，從而使得在測量路徑上能夠在兩個方向 上發射和接收超聲波信號，并且根據超聲波信號的傳播時間來確定測量路徑所在平面中的 氣體流速和氣體中的聲速(SoS)，其中所述方法有三步，并且 -在第一步（102)中，檢查最下面的測量路徑(30)是否提供關于所述氣體流速的有效測 量值， -在第二步（104)中，通過多次測量在測量路徑（30、36;32、34)的平面中的氣體流速來 確定成對測量路徑中每條測量路徑(30、36; 32、34)的湍流值，并建立兩個湍流值的比率， -在第三步（106)中，確定在成對測量路徑中兩條測量路徑(30、36;32、34)上各自的聲 速(SoS)并建立兩個聲速(SoS)的比率， 并且在下列情況會發出液體警告信號， -當在第一步中提供無效的測量值時，或者 -當在第二步中湍流值的比率偏離1超過一預定的公差值時，或者 -當在第三步中聲速比偏離1超過一預定的公差值時。2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述三步依次循環進行。3. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，通過多次測量在所述測量路徑 的平面上的氣體流速將湍流值定義為標準偏差。4. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，在第一個步驟開始之前先檢查 所述氣體流速是否超過最小值，并且只有當超過所述最小值時才實施步驟。5. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，不在最下面的測量路徑所在的 平面上確定所述氣體流速的最小值。6. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，存在一對測量路徑。7. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，存在兩對測量路徑。8. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，存在三對測量路徑。9. 如前述權利要求中任一項所述的方法，其特征在于，存在四對測量路徑。10. 如前述權利要求7至9中任一項所述的方法，其特征在于，在第二個步驟和/或第三 個步驟中使用不同成對測量路徑的測量結果。11. 一種超聲波流量計，其用于測量流經管道的氣流流量，其中所述超聲波流量計具有 水平的管段，氣體能夠在流動方向上流動通過所述管段且所述管段具有中心軸，并且還具 有至少一對等長的測量路徑，所述測量路徑彼此間隔開，相互平行地在分開的水平平面延 伸并且關于流動方向傾斜，其中成對測量路徑的每個水平平面關于中心軸豎直地移位相同 的預定距離，從而使得平面中的一個位于所述中心軸上方的上部區域而另一個平面位于所 述中心軸下方的下部區域，其中在測量路徑的每端均布置有超聲波換能器并且其中每個所 述超聲波換能器被構造成用于選擇性地充當超聲波發射器和超聲波接收器，從而使得在所 述測量路徑上能夠在兩個方向上發射和接收超聲波信號，并且根據所測量的超聲波信號的 傳播時間來確定在所述測量路徑所在的平面中的氣體流速，其中所述超聲波流量計具有控 制和評估單元，用于實施前述權利要求中任一項所述的方法并識別所述管段中液體的存 在。
【文檔編號】G01F1/66GK106052780SQ201610235847
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】安德里亞斯·艾爾利奇
【申請人】西克工程有限公司