超声波流量探头和监测管道内流体流动的方法技术

一种超声波流量探头（100），包括：安装于管道表面并由此限定垂直于该表面的安装轴线（B）的安装件（101）、安装于所述安装件（101）上的支架（103）、安装于所述支架（103）上并沿主轴线（A）对齐的多个超声换能器；其中，所述支架（103）和所述安装件（101）可配置为使得所述主轴线（A）与所述安装轴线（B）成一角度，从而，在使用中，所述超声换能器（105）间传递的超声波以与所述管道中流动的流体成一角度而传送。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及超声波流量探头和用于监测管道例如排气管内流体流动的方法。更具体但不排他地，本专利技术涉及一种用于监测管道内流体流动的超声波流量探头。
技术介绍
通常希望了解管道例如排气管内流体流动的特性。其可能是因法规要求监测排放物，或者是期望改善工业处理的效率。被测量的流体流动特性可以包括：流体的平均流速、流体的速度分布、和/或流体内来自层流的任何偏移。流体流动的测量技术有很多种，包括光学方法、电学方法以及超声波方法。在典型的超声波方法中，超声波探头沿路径发射和反向接收超声波，该路径具有平行于流体流动的分量。发射和接收超声波的传播时间差可以与探头间沿该路径的流体的平均速度相关。目前有一些用超声波测量颗粒流动的装置和方法。这些装置包括整体地安装到管道的壁内的传感器、可被卡箍于管道外壁上的传感器、以及可被插入管道内的探头。例如，公开号为WO2013/165670的国际专利申请揭露了一种管段式流量计。此流量计包括流道，通过该流道的流体流动将被测量。流量计具有嵌入流道周围的第一传感器和第二传感器，用以发射和接收超声波能量。传感器被整体地嵌入管段的壁内。传感器也可以按类似方式通过开孔或钻孔来安装到管道的侧面内。管段式流量计的安装和制造成本可能会很高。而且，这类流量计的一个明显的缺点是，如果没有安装和使用另外多对传感器，将只能测量一个部位的流体流动。例如，公开号为US2014/0000339的美国专利申请揭露了外夹式流量计，其从管道的外部进行测量。这种流量计的安装相对简单且具有成本效益，因为流量的测量不需要接触流体。然而，管道通常传送有大量噪声，当流体的密度非常低，或者流体是气体时，管道传送的超声波信号非常差，结果导致低的信噪比。此外，上述流量计通常仅测量沿着管道直径的流体流动的平均速度。对于可表示紊流的管道中特定位置的速度，其测量只能通过提供另外多对传感器或大量地重新布置传感器来实现。例如EP0477419所公开的流量计，其配置为探针形式，用于采样管道中的一部分流量，需要安装口插入管道，并与管道成例如45度的角度。本专利技术寻求解决上述问题。作为选择地或者作为附加地，本专利技术寻求一种使用超声波换能器来测量管道内的流体流动特性的改进方法和装置。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术提供一种超声波流量探头，其包括：安装在管道的表面上并由此限定垂直于表面的安装轴线的安装件，安装在安装件上的支架（frame），安装在支架上并沿主轴线对齐的多个超声换能器；其中，支架和安装件可配置为使得主轴线与安装轴线成一角度，从而，在使用中，超声换能器间传递的超声波以与管道中流动的流体成一角度而传送，例如大于0度并小于90度的角度。可以理解的是，当安装件安装在表面上时，安装轴线与表面垂直。本领域普通技术人员可以理解的是，通过安装件来确定安装轴线。还可以理解的是，安装件可以按各种方式安装于该表面。例如，安装件可以固定于该表面。又如通过将安装件穿过表面而将安装件安装于该表面。安装件还可以通过该表面而固定，并因此认为被安装在表面上。根据第一方面，超声波流量探头可以插入管道内。在管道中流动的流体可以流经超声波流量探头。两换能器可以发射并接收反向传播的超声波。然后可以确定超声波的飞行时间，并且可以计算出流体流动的特性。根据第一方面，超声流量探头将能够直接测量管道内的流体流动。探头的安装件可以允许它被安装于管道，而管道无需包括专门成一角度的管段。从而可在探头的安装过程中节省时间和成本。超声波流量探头可以具有包括两个臂的支架。每个臂上安装超声换能器。主轴线和安装轴线之间的角度可以是在大于0度且小于90度的范围内。优选地，角度范围为大于5度到小于85度，例如大于10度至小于80度的范围，例如大于20度至小于70度的范围。具有在此范围内的角度是有利的，这意味着两换能器之间的路径具有平行于流体流动的分量。支架可以安装到安装件，使得主轴线和安装轴线之间的角度可调。这可允许主轴线被放置在与流体流动成一对于给定应用为最优的角度。主轴线和安装轴线之间的角度可以调节为第一角度，以允许探头插入到管道中，以及可调节为第二角度，以进行测量。这可以使得流量探头被插入到的各种形状和尺寸的管道内。主轴线和安装轴线之间的角度可以通过自动致动系统调节。致动系统可以允许远程更改主轴线的角度。这样可以允许流量探头在各种角度下进行测量。然后流体的速度分布可以在探头的采样区内确定，而不需要另外一对换能器。此外，这可以允许以不同的角度来进行测量而不会干扰或阻止流体流动。超声波流量探头可以具有固定的角度于主轴线和安装轴线间。这可以减少不同应用中探头的制造成本，其中主轴线需要与安装轴线成一特定角度。超声波流量探头可以具有能够绕安装轴线旋转的支架。这可允许主轴线被放置在与流体流动成一对于给定应用为最优的角度。支架绕安装轴线的旋转可通过致动系统调整，其可以是自动的。致动系统可以允许远程更改支架绕安装轴线的旋转。这使得绕安装轴线的旋转能够不干扰或阻止管道内的流体流动而发生。支架绕安装轴线的旋转可以允许流体的三维速度分布得以建立在探头的采样区内。换能器的间隔可通过致动系统调整，其可以是自动的。换能器的可调整间距可以允许流量探头的采样区被调整为对于给定应用为最优的大小。换能器的间隔可以调整为允许探头插入到管道内的第一位置，以及调整为用以进行测量的第二位置。这可使得流量探头得以插入到各种形状和尺寸的管道。超声波流量探头可以包括用于改变换能器的间隔的自动致动系统。这可使得换能器间隔得以调整而不干扰或阻止管道中的流体流动。主轴线和安装轴线之间的角度可配置为测量管道内流体流动的具体特性。这些特性可以包括流体的速度分布。根据本专利技术的第二个方面，提供了一种用于监测管道内流体流动的方法，包括：提供包含沿主轴线对准的两个超声波换能器的超声波流量探头；将超声波流量探头插入管道；将超声波流量探头安装于管道的表面；调整探头，使得主轴线与安装轴线成一角度，而安装轴线垂直于表面；并通过以下测量流体流动的特性：在两个换能器之间反向传播超声波；确定超声波的飞行时间；以及根据飞行时间计算流体流动的特性。将超声波流量探头安装于管道的表面的步骤可以，例如，包括将超声波流量探头安装到表面或穿过表面，其可以是管道的内表面。这样的这种用于监测流体流动的方法允许直接测量流体流动。因此，管道无需包括专门成一角度的管段。这样可减少与安装探头相关联的时间和成本。主轴线与安装轴线间所成角度的调节可以允许探头被放置在一对于给定应用为最优的角度。也可以重新调整已安装的探头。主轴线和安装轴线间的角度可以在值为大于0度小于90度的范围内调整。因而有可能将主轴线设置为与流体流动的平均速度成一角度。主轴线和安装轴线之间的角度在探头插入管道期间可以调整为零度，而在测量期间可以调整为大于0度小于90度的值。这使得流量探头得以插入各种形状和大小的管道内。主轴线和安装轴线之间的角度可通过致动系统调整，其可以是自动的。致动系统可以允许远程更改主轴线的角度。这使得可以在不同角度下进行测量以改变主轴线的角度，而不会干扰管道内的流体流动。该方法可以包括在测量之前通过绕安装轴线旋转来调整支架。这可允许主轴线被放置在与流体流动成一对于给定应用为最优的角度。支架绕安装轴线的旋转可通过致动本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超声波流量探头，包括：安装在管道的表面上并由此限定垂直于所述表面的安装轴线的安装件，安装在所述安装件上的支架，安装在所述支架上并沿主轴线对齐的多个超声换能器；其中，所述支架和所述安装件可配置为使得所述主轴线与所述安装轴线成一角度，从而，在使用中，所述超声换能器间传递的超声波以与所述管道中流动的流体成一角度而传送。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.02.18 GB 1402884.91.一种超声波流量探头，包括：安装在管道的表面上并由此限定垂直于所述表面的安装轴线的安装件，安装在所述安装件上的支架，安装在所述支架上并沿主轴线对齐的多个超声换能器；其中，所述支架和所述安装件可配置为使得所述主轴线与所述安装轴线成一角度，从而，在使用中，所述超声换能器间传递的超声波以与所述管道中流动的流体成一角度而传送。2.根据权利要求1的超声波流量探头，其特征在于，所述支架包括两个臂，其中每个臂上安装有超声换能器。3.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度在大于0度小于90度的范围内。4.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述支架安装在所述安装件上，使得所述主轴线和所述安装轴线之间的角度可调整。5.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度可调整为第一角度以允许所述探头插入管道，以及可调整为第二角度以进行测量。6.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述超声波流量探头包括用于调整所述主轴线和所述安装轴线之间的角度的致动系统。7.根据权利要求1-3的超声波流量探头，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度固定。8.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述支架能够绕所述安装轴线旋转。9.根据权利要求8的超声波流量探头，其特征在于，所述支架绕所述支架的旋转是自动的。10.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述超声波流量探头包括用于调整所述换能器的间隔的致动系统。11.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述换能器的间隔可调整为第一间隔以允许所述探头插入到管道，以及可调整为第二间隔以进行测量。12.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述流量探头包括用于改变所述换能器的间隔的自动致动系统。13.根据前述任一权利要求的超声波流量探头，其特征在于，所述主轴线和所述安装轴线之间的角度可配置为测量在管道中的流体流动的具体特性。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗杰·布拉德利·米林，阿奇博尔德·西蒙·里德，
申请(专利权)人：PCME公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB