单收发器超声流量计设备及方法技术

单个波束形成超声换能器元件阵列(210)的元件被选择性地激活，从而将两个或更多个超声波束(220-222-224、230-232-234)引导到安装到或者制作在管道214内表面的已知位置处的一系列声学镜(255、260、265)。超声波束(220-222-224、230-232-234)在被单个换能器阵列(210)接收返回之前，通过流过管道(214)的流体以已知角度穿过测量路径段(224、234)。根据减去由已知长度的非测量路径段(220、230、222、232)提供的飞行时间(TOF)分量后的沿第一和第二超声波束路径(220-222-224、230-232-234)的TOF差计算沿流体流动路径的流体流动速率。TOF中的差由沿第一测量路径段(224)的增加的下游流体流动速率矢量分量和沿第二测量路径段(234)的减少的上游流体流动速率矢量分量引起。

【技术实现步骤摘要】

本文所描述的结构和方法涉及管道以及管路中流体流速的测量，包括比较通过流体发送的超声脉冲的飞行时间(TOF)从而检测下游流体速率以及上游流体速率对TOF做出的贡献。
技术介绍
图1示出根据现有技术的流体流量测量技术的现有技术示意图。第一超声换能器110位于管道120上游的壁115处，第二超声换能器125位于管道120下游的壁130处。第一超声信号从上游换能器110发射，并且穿过路径135A在下游换能器125处接收。测量第一超声信号发送和接收之间的飞行时间(TOF)T(1，2)。第二超声信号从下游换能器125发射，并且穿过路径135B在上游换能器110处接收。测量第二超声信号发送和接收之间的TOF T(2，1)。路径135A和135B长度L相等。每条路径135A和135B与管道120纵轴线成角度θ。穿过管道120的流体流动速率提高了下游角度θ上传播的超声信号的速率，从而降低TOF(1，2)。同样地，穿过管道120的流体流动速率阻碍了上游角度θ上传播的超声信号的速率，从而增加TOF(2，1)。具体来说，穿过路径135A的第一超声信号的速率是通过穿过管道120的静态型流体传播的超声能量的速率C和沿路径135A的流体速率U的速率矢量分量v的总和。U是平行于管道120的纵轴线流动的流体的总速率。也就是说，穿过长度为L的路径135A的第一超声信号的总速率等于C+v。因此TOF T(1，2)为：T(1，2)＝(距离)/(速度)＝L/(C+v)。同样地，穿过路径135B的第二超声信号的速率为通过穿过管道120的静态型流体传播的超声能量的速率C与沿路径135B的流体速率U的速率矢量分量v之间的差。也就是说，穿过长度为L的路径135B的第二超声信号的总速率等于C-v。因此TOF T(2，1)为：T(2，1)＝(距离)/速度)＝L/(C-v)。穿过静态流体的超声能量的速率C对于流过管道120的具体流体是常量。因此，测得的T(1，2)和T(2，1)提供上述两个方程式，其中v和L未知。求解上述两个方程式获得v：v=L2[T(2,1)-T(1,2)T(1,2)*T(2,1)]]]>然而，TOF的测量值仅考虑沿流体流动速率U的测量路径135A和135B的矢量分量v。整个流体流动速率U等于v/cosθ。因此：U=L2cosθ[T(2,1)-T(1,2)T(1,2)*T(2,1)]]]>
技术实现思路
本文所公开的设备和方法使用波束形成超声换能器元件阵列测量流过管路或管道的流体流速，其中超声换能器元件能够安装在管路或管道壁上的单个位置(本公开中所使用的术语“管道”和“管路”含义相同。)。波束形成驱动器电路与超声换能器元件阵列联合以提供从阵列发射以及在阵列处接收的超声能量的方向性控制。得到的超声波束通过安装或者制作在管道内表面的已知位置上的一系列声学镜引导返回单个超声阵列。本文所述的实施例在商业上的优点在于它们采用单个超声换能器/收发器单元而不是多个单元。这样做能够降低与超声换能器自身相关的成本，以及管道内的安装成本和安装后的校准成本。波束形成驱动器电路选择性地激活阵列的换能器元件，从而将两个或更多个输出超声波束通过流过管道的流体引导到一个或更多个声学镜。在一些实施例中，声学镜安装在管道的内壁上。超声波束沿两种类型的路径段行进，这两种类型的路径段通过它们对波束TOF的效应被分类。“测量”超声路径段以与管道纵轴线成小于90度的角度穿过流体流动路径并包括上游或下游流体流动速率分量。“非测量”路径段要么以与管道纵轴线成90度的角度穿过流体流动路径，要么放置在管道内壁附近，在此处，流体流动速率基本为零。在两种情况下，非测量路径段有效地排除上游和下游流体流动速率分量。沿流体流动路径的流体流动速率以及流体流动容积根据先前所呈现的实例中描述的TOF测量值计算。然而，在所公开的设备以及方法的情况下，从所测量的TOF总值中减去长度已知的非测量路径段对TOF时间的贡献。这样做使得根据测量路径段的TOF测量值部分计算流体流动速率以及容积。附图说明图1为示出流体流量测量技术的现有技术示意图。图2为根据本专利技术的各个示例性实施例示出采用单波束形成超声换能器阵列的流体流量测量装置的示意图。图3为根据各个示例性实施例示出采用一维波束形成超声换能器阵列的流体流量测量装置的示意图。图4为根据各个示例性实施例示出采用单个二维波束形成超声换能器阵列的流体流量测量装置的示意图。图5为根据各个示例性实施例示出采用单个凸面三维波束形成超声换能器阵列的流体流量测量装置的示意图。图6为根据各个示例性实施例示出采用单个凸面三维波束形成超声换能器阵列的流体流量测量装置的示意图。图7为根据各个示例性实施例示出采用单波束形成超声换能器阵列的流体流量测量装置的示意图，其中所述单波束形成超声换能器阵列被配置为附接到一维子阵列的二维子阵列。图8为根据各个实例活动示出流体流量测量的方法的流程图。图9为根据各个实例活动示出与实现流体流量测量方法的流体流量测量装置相关的超声波束序列的示意图。图10为根据各个实例活动示出与实现流体流量测量方法的流体流量测量装置相关的超声波束序列的示意图。图11为根据各个实例活动示出与实现流体流量测量方法的流体流量测量装置相关的超声波束序列的示意图。图12为根据各个实例活动示出与实现流体流量测量方法的流体流量测量装置相关的超声波束序列的示意图，其包括受保护的流量屏障内的超声波束路径段。图13为示出根据各个实例活动的流体流量测量方法的流程图。图14根据各个实例活动示出由单波束形成超声换能器阵列同时发射的超声波束序列，其与实现流体流量测量方法的流体流量测量装置相关。图15为根据各个实例活动示出超声波束序列实例，每个超声波束从单波束形成超声换能器阵列以不同的超声频率发射，所述超声波束序列与实现流体流量测量方法的流体流量测量装置相关联。具体实施方式图2为根据各个示例性实施例示出采用单波束形成超声换能器阵列210的流体流量测量装置205。换能器阵列210包括单独可选择的超声换能器元件且能够安装在管道214的壁212上的单个位置处。流体流量测量装置205提供对从换能器元件阵列210(例如，与波束路径220-222-224相关的波束路径段220和224以及与波束路径230-232-234相关的波束路径段230和234)发射并在换能器元件阵列210处接收的超声本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种流体流量测量设备，包括：波束形成超声换能器元件阵列，其能够安装在管道壁的单个位置处以提供超声能量的方向控制，所述超声能量从所述换能器元件阵列发射并在所述换能器元件阵列处接收；以及波束形成驱动器电路，其通信地耦合到所述波束形成超声换能器元件阵列，以选择性地激活所述换能器元件阵列的至少一个第一子阵列，从而将至少两个输出的超声波束通过流过所述管道的流体引导到安装在所述管道的内壁处的至少一个声学镜，并选择性地激活换能器元件的至少一个第二子阵列，从而以所选择的角度感测与所述至少两个输出的超声波束相关的反射的返回信号。

【技术特征摘要】
2013.07.19 US 61/856,387;2013.08.15 US 61/866,467;1.一种流体流量测量设备，包括：
波束形成超声换能器元件阵列，其能够安装在管道壁的单个位置处以提供
超声能量的方向控制，所述超声能量从所述换能器元件阵列发射并在所述换能
器元件阵列处接收；以及
波束形成驱动器电路，其通信地耦合到所述波束形成超声换能器元件阵列，
以选择性地激活所述换能器元件阵列的至少一个第一子阵列，从而将至少两个
输出的超声波束通过流过所述管道的流体引导到安装在所述管道的内壁处的至
少一个声学镜，并选择性地激活换能器元件的至少一个第二子阵列，从而以所
选择的角度感测与所述至少两个输出的超声波束相关的反射的返回信号。
2.根据权利要求1所述的流体流量测量设备，进一步包括：
控制和测量模块，其通信地耦合到所述波束形成超声换能器元件阵列以测
量所述至少两个超声波束从所述超声元件阵列的发射到所述超声元件阵列处所
述返回信号的接收的飞行时间即TOF，并根据能够穿过第一路径的所述至少两
个超声波束中的第一个和能够穿过第二路径的所述至少两个超声波束中的第二
个之间的TOF的差计算流体流动速度，TOF的至少一部分差是由沿第一路径
测量段的增加的下游流体流动速率矢量分量和沿第二路径测量段的减少的上游
流体流动速率矢量分量引起，其中所述第一路径测量段以与管道的纵轴线成小
于90度的角度穿过所述流体，所述第二路径测量段以与管道的纵轴线成小于90
度的角度穿过所述流体。
3.根据权利要求2所述的流体流量测量设备，所述第一和第二路径测量段
长度相等，并且所述下游和上游流体流动速率分量的幅值相同、方向相反。
4.根据权利要求1所述的流体流量测量设备，所述换能器元件的第一和第
二子阵列包括相同元件。
5.根据权利要求1所述的流体流量测量设备，所述至少一个声学镜经配置

\t以沿所述管道的所述内壁反射所述第一和第二超声波束，其中所述流体的流速
基本为零。
6.根据权利要求1所述的流体流量测量设备，所述波束形成超声换能器元
件阵列形成为一维阵列、二维阵列或三维阵列中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的流体流量测量设备，所述波束形成换能器元件阵
列形成为多个换能器元件子阵列，所述多个换能器元件子阵列能够沿着从所述
波束形成换能器元件阵列延伸和/或延伸到所述波束形成换能器元件阵列的波
束路径段投射所述超声波束，所述波束路径段两者都平行且垂直于所述管道的
纵轴线。
8.根据权利要求1所述的流体流量测量设备，所述换能器元件阵列的至少
一个换能器元件选自包括下列项的组：大体积压电换能器元件、容性微机械超
声换能器元件，即CMUT元件，以及压电微机械超声换能器元件，即PMUT
元件。
9.根据权利要求1所述的流体流量测量设备，所述至少一个声学镜由所述
管道的所述内壁的一部分形成。
10.一种流体流量测量方法，包括：
在第一时间，选择性地激活能够安装在管道壁上的单个位置处的换能器元
件阵列的元件，从而产生朝着与第一系列声学镜相关的声学镜引导的第一超声
波束；
沿包括至少一个第一路径测量段的第一路径引导所述第一超声波束，从而
在包括增加的下游流体流动速率矢量分量的方向上以与所述管道的纵轴线成小
于90度的角度穿过流过所述管道的流体；
在第二时间，在所述换能器元件阵列处接收返回的所述第一超声波束；
在第三时间，在所述换能器器元件阵列处，生成朝向与第二系列声学镜相
关的声学镜引导的第二超声...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·西威尔，M·威特茨，
申请(专利权)人：德克萨斯仪器德国股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE