夹合式气体流量计及测量气体流量的方法技术

本发明专利技术公开了一种气体流量计，该流量计包括一个发射传感器（５６０）用于将声能注入到气体中；一个接收传感器（５７０）用于接收声能；一个具有金属管壁（５２０）的短管和一个具有比金属管壁的声阻还要低声阻的衬套（５５０），其中发射传感器和接收传感器嵌入或者平贴地安装到管道上，直接置在声波阻尼衬套的表面上。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种测量气体流速的方法及装置；具体地说涉及一种利用非侵入式的夹合式流量计测量管道中气流的装置及方法。
技术介绍
过渡时间超声波气体流量计已为公知。图1给出了一种常规的气体流量计，其中传感器经过管壁上的孔直接引入到气体中。由于管道中的压力一般很高，通常在几个至几百个大气压之间，因此有必要在传感器的周围采用压力密封以防止气体泄漏。由于传感器本身也必须承受压力，因此其必须坚硬并具有较高的密度。因为声阻直接取决于材料的密度，即ZS＝材料密度×声音的传播速度，因此传感器/管道的界面表现出与较低的气体声阻不相匹配的较高声阻。相应地，将声能引入到气体中的效率较低。为了克服该低效率，有必要在发射传感器100的发射表面生成一个强脉冲。由于传感器的高阻抗与管壁阻抗的相互匹配，使得传感器体内大量能量通过压力密封优先进入与传感器体连接的管120。一旦该能量进入到管壁，其将直接通过管壁到达接收传感器110。与接收传感器110接收到的气体信号强度相比，发射能量的幅度要高得多，且由于在管壁间断面之间的反射，发射能量在管中的滞留时间过长。从而非常小的气体接收信号幅度模糊不清。这使得流体效应中接收气体信号过渡时间的检测由于较低的信噪比变的困难或不可能。在一个解决方案中，侵入式气体传感器装配有用于将到达传感器的位置之前没有传送给气体的声能驱散到管壁压力密封的内部装置。金属和粘性弹性件的结合物可以用来驱散该声能。可得到几百比一或更大的信噪比。一般地，常规过渡-时间流量的操作计包含流量计算机，其使用已知的算法通过将接收信号数字化由所测得的上游和下游的过渡时间差以及所测得的绝对过渡-时间计算得出流量。使用常规过渡时间式流量计，由于管壁中插入传感器的固定位置，在高流量时会产生问题。当探照光比如“窄”光束宽生成且被注入到气流的路径上时，问题就会出现。由于气体流速可以达到气体自身传播速度的高百分比，可以理解在这些条件下，将导致来自上游和下游传感器的向下游的声束“风吹现象”。附图2给出了该现象。由发射传感器100发射的垂直声束被气流“吹”向下游，使得预期的信号不能被接收传感器1 10接收。从而除了将它们轴向串连安装，没有位置放置任一传感器以避免丢失声束中之一或者全部的可能性。然而，这将导致上游的传感器影响气流的形状且甚至改变传感器之间路径中声束的视在速度。已知夹合式液体流量计具有很高的测量精度。影响气体与液体流量测量的条件之间的重要差别在于气体的声波阻抗非常低--大约为液体的平均情况的100倍或更低。这使得从管壁进入到气体媒质中的声能的信号强度大减。另一个差别在于与一般液体相比气体中声音的传播速度明显较低--通常约为液体速度的五分之一。该较低的传播速度也导致由管壁生成的声能进入气体时相对于液体非常大的反射角。图3给出了气体和液体反射角之间的差别。波的法线角如直线300所示。如直线310所示气体中的声速约为12000英寸/秒。如305所示液体中的声速约为60000英寸/秒。如305所示管壁的声速约为115000英寸/秒。对于气体来说，这导致角330与法线角相差约6度，对于液体来说，相差约26度。这意味着与这些角度的正弦值成比例，气体流量检测的灵敏度要远小于液体。然而，为了补偿该情况，气体与液体相比通常具有高的多的流速。由于气体的声阻与高声阻的金属相比非常低，因此很难将来自管壁的声能发射至管道中的气体中。相应地，与用于液体的管道相比较，在典型的夹合式声波流量计中，仅有非常少量的声能进入气体自身。遗憾的是，夹合式流量计要求声能在注入到管壁之前进入到气体中。在管壁中一旦声音信号已经进入气体中，将会遇到管壁中的声能趋向停留在管道中，并在连接传感器安装在其上的管道和其余部分上的法兰或焊缝之间来回反射。在这种条件下，留在管壁中的声能要比通过气体后返回到接收传感器的较小的声能来说大的多。因此，由于气体信号被管壁的信号淹没，因此几乎不可能检测气体信号。而且，在常规的侵入式声波气体流量计中，传感器的设计避免将声能引入到管壁中。这样在夹合式气体流量计的情况中，引入一个足够强的声音信号至管壁中非常重要，因为这是引入到气体媒质中的实际声能源。因此，其解决的办法就是在通过气体由接收传感器完全接收气体信号之前驱散滞留在管壁中的声能和气体的信号源。幸运的是通过气体的速度与管壁中的声能较高的速度相比要低的多。这些速度的典型比例大约是10∶1。如果传感器夹合在安装好的管道上，且该管道的管壁中两个不连续部分(例如是法兰)之间非常长，则管壁中的传输信号会“离开附近”并基本上在从这些法兰反射之前被吸收，并且使非常小的气体信号变得模糊。图4A所示为一个在短管中的直达波噪音振幅相对距离的反射特性。图4B所示为一个无阻尼和阻尼短管的反射特性。图4C所示为一个直达波的噪音振幅相对时间的反射特性。图4D所示为一个无阻尼和有阻尼短管的噪音振幅相对时间的反射特性。可以看出如果管道的区段很小则回声室产生，当气体信号到达时最初的声音传输能量将在接收传感器区域出现。因此，对夹合式气体流量计的安装区域来说，推荐将传感器安置在较长相互间不接触的管道的位置上。要求实现预定设计效果的实际长度由信噪比限定，并短于用于较高气体压力的长度，该较高的压力用于增加的气体信号的振幅。但是气体计量领域的标定已证明是最困难的，通常都不可能，这里所描述的是制作一个短管形式的气体流量计。这样就允许其被带到实验室标定。当然如果有必要的话也可以把短管做的长一点如上面提到的，这样的长度使得其制作、校准、运输和安装都不切合实际。因此需要制作气体短管。为了实现这个目的重要的是开发一种装置，它能在气体信号到达接收传感器之前驱散传输声能。
技术实现思路
提供一种利用非侵入式夹合式过渡时间超声波流量计来测量气体流速的方法和装置。该装置和方法利用宽束过渡时间性传感器，其中它的频率与管道的厚度模式和纵向模式的谐振频率相匹配，传感器的相位速度与横波的传播速度在管道轴线方向上相匹配。这些条件确保声束出射点被较高流速的气体从管壁移动时而保持其形状，其中较高流速是相对于通过气体媒质的声脉冲的流速。提供一种装置，其驱散管壁中非常高的传输声能，使其小于相对较低的接收气体信号，该接收气体信号由从较高声阻的金属管壁向较低声阻的气体中引入的声能的低效率所限制。如果夹合式传感器装配在安装好的气体管道上，该管道中在传感器的位置和最近的管壁不连续处(例如是法兰或者接缝)之间具有较大距离，这种能量会自然消散。然而，如果制成一个夹合式气体短管产品，其中的短管设计成限定长度的短管，这样声能会“收集”在这些非连续处之间，并经过传感器位置而连续混响，从而在气体路径接收的声波到达时出现并具有很大振幅，从而使其检测模糊。另外还公开了一种气体流量计，该流量计包括一将声能注入到气体中的发射传感器；一个接收声能的接收传感器；一个短管，具有金属管壁、声阻比金属管壁的声阻要低的衬套，其中传输和接收传感器安装在短管上。因此，衬套可以吸收或者消耗较高的声能以显著地提高该装置的信噪比。优选的，该管道包括内管壁和外管壁，衬套形成在内管壁，但是衬套也可以形成在外管壁或者内表面外表面都有。衬套可以通过管壁上熔化的衬套材料将其粘结在管壁上，并以给定的速度降低温度。衬套的外表面可以通过压力敏感粘合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种气体流量计，其中包括：一个发射传感器用来把声能注入到气体中；一个接收传感器用来接收声能；和一个具有金属管壁的短管和一个具有比金属管壁的声阻更低声阻的衬套，其中发射传感器和接收传感器嵌在短管上。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫鲍莫尔，
申请(专利权)人：西门子能源及自动化公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]