专利名称：确定超声波流量表的延迟时间的制作方法
确定超声波流量表的延迟时间
背景技术：
通过管道将天然气从一个地方传输到另一个地方。理想地是准确地知道在管道中流动的天然气量，并且当流体转手或者保管交接(custody transfer)时要求特别的准确度。然而，即使在不发生保管交接时，也期望测量准确，并且在这些情况下可以使用流量表。超声波流量表是可以用于测量管道中流动的流体量的一类流量表。超声波流量表具有足够的准确度用于保管交接。在超声波流量表中，声学信号穿过待测量的流体流来回发送。基于接收的声学信号的参数，确定流量表中的流体流动速度。根据确定的流动速度和已知的流量表的横截面积能够确定流过流量表的流体量。超声波流量表中声学信号的渡越时间包括信号行进通过流量表中流动的流体所 需要的时间、声学信号在产生和检测该信号的换能器中所花费的时间、以及处理该信号所需要的时间。为了准确地确定流体流动速度，从而确定流体的值，信号渡越时间的每个上述组成部分必须准确地被确定。
为了详细地描述本发明的示例性的实施例，将参考以下的附图，其中图IA不出根据各个实施例的超声波流量表的立视截面图；图IB示出包括根据各个实施例的多个弦路径的超声波流量表的立视图；图IC以示意图形式示出根据各个实施例的超声波流量表的顶视图；图2以示意图形式示出配置用于根据各个实施例的干式校准的超声波流量表组件的截面图；图3示出根据各个实施例的用于执行超声波流量表的干式校准的系统的框图；以及图4示出根据各个实施例用于超声波流量表的干式校准的方法的流程图。
具体实施例方式在以下说明和权利要求通篇中使用特定术语来指示特定的系统部件。本领域技术人员将会理解，公司可以通过不同的名称指示部件。本文档并不旨在区分名称不同而非功能不同的部件。在以下说明中和在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放的方式使用，
从而应该被解释为意指“包括，但不限于......”。此外，术语“耦合”意在指间接或直接的
连接。因此，如果第一设备或部件耦合到第二设备或部件，该连接可以是通过两者之间的直接接合或者是通过经由其它中间设备、部件和/或连接的间接连接。以下讨论针对本发明的各个实施例。尽管这些实施例中的一个或者多个是优选的，但是公开的实施例不应该被解释为或者另外地使用为限制包括权利要求在内的本公开的范围。此外，本领域技术人员将理解以下的说明具有宽泛的应用，并且对任何实施例的讨论仅仅意在对该实施例的示范，而不意在暗示包括权利要求在内的本公开的范围限制于该实施例。
图IA和IB示出说明其基本部件和关系的超声波流量表110的实施例。仪表主体111适合于放置在管道的各部分之间，其具有预定的尺寸并且限定被测量的流体(例如，待测气体和/或液体)流动所通过的中央通道。示例的换能器对112和113以及它们各自的壳体114和115沿着仪表主体111的长度布置。换能器112和113是声学收发器，更具体来说是超声波收发器，这意味着它们都产生和接收具有超过20K赫兹的频率的声学能量。声学能量可以通过每个换能器中的压电元件产生和接收。要产生声学信号，压电元件通过正弦信号被电激发并通过振动作出响应。压电元件的振动产生行进通过被测量的流体到达换能器对的相应换能器的声学信号。相似地，在受到声能(即声学信号和其它噪音信号)的冲击时，接收压电元件进行振动并产生由与该仪表相关联的电子装置检测、数字化和分析的正弦电信号。
路径117，有时被称为“弦(chord)”，相对于中央线120成角度0存在于图示的换能器112和113之间。“弦”117的长度是换能器112的表面和换能器113的表面之间的距离。点118和119限定换能器112和113所产生的声学信号进入和离开流动通过仪表主体111 (即仪表主体内径(bore)的入口 )的流体的位置。换能器112和113的位置可以通过角度0、测量的换能器112和113之间的第一长度L、对应于点118和119之间的轴向距离的第二长度X以及对应于管道内径的第三长度d来限定。在绝大多数情况下，距离d、X和L在仪表制造过程中被精确确定。此外，不管仪表尺寸(即仪表主体尺寸)如何，诸如112和113的换能器通常放置于分别距点118和119特定的距离。被测量的流体，例如天然气，以速度轮廓123沿方向122流动。速度向量124-129图示了通过仪表主体111的流体速度朝向中央线120而增加。最初，下游换能器112产生传播穿过仪表主体111中的流体、然后入射在上游换能器113上并由上游换能器113检测的声学信号。短时间以后(例如，几毫秒内)，上游换能器113产生传播回来穿过仪表主体111中的流体、然后入射在上游换能器112上并由上游换能器112检测的返回声学信号。这样，换能器112和113用信号130沿着弦路径117进行“一发一收(pitch and catch)”。在操作中，该序列(sequence)每分钟可以发生成千上万次。声学信号130在换能器112和113之间的渡越时间(即声能行进所需要的时间)部分取决于声学信号130关于流体流动向上游还是向下游行进。声学信号向下游(即和流体流动相同的方向)行进的渡越时间小于其当向上游(即逆着流体流动)行进时的渡越时间。可以使用对于弦的上游渡越时间和下游渡越时间来计算平均流体流动速度以及声音在被测流体中对于该弦的平均速度。超声波流量表能够具有一个或多个声学信号路径。图IB图示出超声波流量表110的一个端部的立视图。如图IB所示，超声波流量表110实际包括在仪表主体111内部不同水平面的四个弦路径A、B、C和D。每个弦路径A-D对应于轮流地作为发送器和接收器工作的换能器对。图中还示出仪表控制电子装置封装140，其包括获取和处理来自四个弦路径A-D的数据的控制电子装置。图IB的视图中隐藏了对应于弦路径A-D的四对换能器。参考图IC可能更容易理解四对换能器的配置。四对换能器的端口(ports)安装在仪表主体111上。每对换能器端口对应于图IB的单个弦路径。第一对换能器端口 114和115包括换能器112和113 (见图1A)。换能器以相对于仪表主体111的中央线120成非垂直角度9安装。另一对换能器端口 134和135 (仅部分可以看到)和相关联的换能器被安装成使得其弦路径关于换能器114和115的弦路径松散地形成“X”形状。相似地，平行于换能器端口 134和135放置换能器端口 138和139，但是在不同的“水平面”(即在仪表主体或者管道的不同径向位置)上。图IC中未明显示出第四对换能器和换能器端口。将图IB和图IC结合到一起，换能器对被布置成使得对应于弦A和B的上部的两对换能器形成“X”形状，对应于弦C和D的下部的两对换能器也形成“X”形状。可以在各个弦A-D确定流体的流动速度以获得弦流动速度，并且结合弦流动速度以确定仪表110的平均流动速度。通过仪表110的容积流动速率是对于仪表110的平均流动速度和仪表110的截面积的乘积。通常，控制电子装置(例如，控制电子装置封装140)引起换能器(例如112、113)发动，接收换能器的输出，计算对于每个弦的平均流动速度，计算对于仪表的平均流动速度，并且计算通过仪表的容积流动速率。然后，容积流动速率和可能的其它被测量和被计算的值(例如，流动速度和声音速度)被输出到在仪表110的外部的附加设备，例如流量计算机。如上所述，每个超声波换能器112、113通常包括压电晶体。压电晶体是发射和接收声能的有源元件。压电晶体包括诸如锆钛酸铅(PZT)的压电材料和在压电材料的表面上的电极。电极通常是诸如银或镍的导电材料的薄层。施加在电极之间的电压差在压电材料中感应出电�。玫绯∈沟醚沟绮牧细谋湫巫床⒎⑸渖�。入射(impinging)到压电材料上的声能使得压电材料改变形状并在电极之间产生电压。压电晶体通常密封在环氧树脂内，环氧树脂将压电晶体保持在适当位置，保护压电晶体，并提供匹配层以改善声能在压电晶体和仪表110中的流体之间的耦合。对于给定的弦，弦流动速度V给出如下
权利要求
1.一种用于校准超声波仪表的方法，包括 在流量表中布置流体流通设备； 通过所述流体流通设备的操作在所述流量表中流通流体； 在所述流通过程中测量在所述流量表内的声学信号渡越时间；以及基于所述测量确定由所述流量表的部件引发的等待时间所导致的所述声学信号渡越时间的一部分。
2.根据权利要求I所述的方法，其中在确定的时间段上执行所述流通以在所述流量表中产生均匀的流体温度。
3.根据权利要求I所述的方法，还包括与测量所述声学信号渡越时间结合来测量所述流量表内的温度和压力。
4.根据权利要求I所述的方法，其中所述流通在所述流量表内提供从O.5英尺每秒到2英尺每秒的流体速度。
5.根据权利要求I所述的方法，其中所述等待时间是小于换能器之间的声音渡越时间的上游声学信号渡越时间和下游声学信号渡越时间的平均值。
6.根据权利要求I所述的方法，还包括 将流体引入所述流量表中； 停用所述流体流通设备； 在所述流体流通设备停用时，测量在所述流量表内的声学信号渡越时间；以及 基于所述测量确定上游声学信号渡越时间和下游声学信号渡越时间的差。
7.根据权利要求I所述的方法，还包括将所述流体流通设备附接到关闭所述流量表的端部的盖板。
8.一种用于校准超声波仪表的系统，包括 流量表，具有密封的腔室； 搅动器，布置在所述密封的腔室内并被配置为在所述流量表中移动流体；以及校准逻辑，被配置为确定所测量的、由所述流量表的部件引发的等待时间所导致的声学信号渡越时间的一部分； 其中基于所述搅动器在所述流量表内移动流体从而提供在所述流量表中的均匀的流体温度来确定所测量的声学信号渡越时间的一部分。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述仪表还包括在所述密封的腔室的每个端部处的密封构件，并且其中所述搅动器被安装到所述密封构件中的一个。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述搅动器被安装在将所述搅动器定位以使得流体流动通过所述搅动器的分隔装置上。
11.根据权利要求8所述的系统，还包括被配置为分别测量在所述流量表内的流体的温度和压力的温度传感器和压力传感器；其中所述校准逻辑被配置为结合测量所述声学信号渡越时间来测量所述流体的温度和压力。
12.根据权利要求8所述的系统，其中所述校准逻辑确定所述等待时间为小于换能器之间的声学信号渡越时间的上游声学信号渡越时间和下游声学信号渡越时间的平均值。
13.根据权利要求8所述的系统，其中所述搅动器被配置为在所述流量表内以O.5英尺每秒到2英尺每秒之间的速度移动所述流体。
14.根据权利要求8所述的系统，其中所述搅动器具有所述流量表的内径的10%到.35 %的直径。
15.根据权利要求8所述的系统，其中所述校准逻辑被配置为 在所述搅动器停用时，测量在所述流量表内的上游声学信号渡越时间和下游声学信号渡越时间；以及 确定所述上游声学信号渡越时间和下游声学信号渡越时间的差。
16.根据权利要求8所述的系统，其中所述搅动器被布置在所述流量表中、所述流量表的换能器之间的声学信号路径的外部。
17.一种用于在超声波流量表中提供均匀的流体温度的装置，所述装置包括 流量表主体； 盖板，被配置为密封所述流量表主体的端部；以及 所述流量表主体中的电风扇，所述风扇在所述流量表中流通流体并被布置在所述流量表的超声波换能器之间的信号路径外部的位置处。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括将所述风扇从在所述流量表主体内支撑所述风扇的表面分开的支架，所述支架被配置为允许流体流动通过所述风扇。
19.根据权利要求17所述的装置，还包括被配置为将所述风扇附接到所述流量表的内部的表面的磁体。
20.根据权利要求17所述的装置，其中所述风扇被附接到所述盖板。
21.根据权利要求17所述的装置，其中所述盖板包括端口，通过所述端口连接器向所述风扇提供电功率。
22.根据权利要求17所述的装置，其中所述风扇的直径是所述流量表的内径的10%到.35%。
23.根据权利要求17所述的装置，其中所述风扇被配置为在所述流量表内以O.5英尺每秒到2英尺每秒之间的速度流通流体。
全文摘要
本发明涉及确定超声波流量表的延迟时间。一种用于校准超声波流量表的系统和方法。在一个实施例中，一种方法包括在流量表内布置流体流通设备。通过流体流通设备的操作在流量表中流通流体。在流通过程中测量在流量表内的声学信号渡越时间。基于该测量，确定由流量表的部件引发的等待时间所导致的声学信号渡越时间的一部分。
文档编号G01F1/66GK102636226SQ201210030508
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月10日 优先权日2011年2月11日
发明者小亨利·C·斯特劳布 申请人:丹尼尔测量和控制公司
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