CN103080740B - 非入侵性测量管道中流动流体中的声速的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量流动流体声速的方法和装置，包括：套筒，所述套筒具有由不同直径的第一和第二腔体所组成的流体流过的内部中空部件，该腔体限定了沿套筒纵轴方向延展的第一层和第二层壁面，且该壁面将来自安装于该套筒中的单个传感器的信号能量反射回所述传感器。一个电子电路包括微处理器，所述微处理器被编入所述第一层和第二层壁面之间的距离，并测量发送到每个第一和第二壁面并反射的信号能量的往返时间，以及使用两次测量的往返时间和壁面之间固定距离的数值计算流动流体的声速。

Description

非入侵性测量管道中流动流体中的声速的装置和方法

技术领域

本发明涉及到一种非入侵性测量柔性或刚性管道中流动流体中声速的装置和方法。

背景技术

术语“声速”是一个公知的简称，用来表示声波在介质中传播时的速度特性。声速的变化取决于声波所穿过的介质。它通常是描述不同的物质或介质的属性时用到的一个参数。知道一种特定的介质中声速的值，如流动的流体、液体或气体，可判断出该流体的许多不同的特点和属性。将声速与恰当的数学关系相结合，可以测得该介质许多方面的特点和属性，比如它的密度、纯度、该介质组成物的组份等等。

存在多种不同类型用来测量柔性或刚性管中流动流体中的声速的装置。以下使用的术语“管道”被用来表示柔性、半刚性、刚性的类型的管道。柔性管道是一种可发生形变的材料，如弹性体。刚性管道可以是任何材料如塑料或金属，且通常是不可形变的。半刚性管道可以是其它弹性体材料，可以发生一定程度的形变。

测量声速的装置通常包括接触型和非入侵型。在接触型中，测量装置的某些部分与流体直接接触。在非入侵型中，测量声速时，测量装置的任何部分都无需与流体直接接触。无论使用哪种测量声速的装置，都期望它能在结构和操作上尽可能简单，并且不会对它正在使用的设备或其他装置产生不利地妨碍或影响。

发明内容

根据本发明，提供了一种测量声速的装置，该装置可与管道同轴地测量在弹性、半刚性或刚性管道中沿管道方向流动的流体中的声速，并且可以持续进行操作。在本发明中，提供了一个位于管道线上的外包容器或套筒。也就是说，套筒位于管道的两个端口之间，流体从管道的一端开始流动，穿过套筒并进入另一个管道端口直至到达最终目的地。套筒通常为圆筒形的，具有两个不同直径的内部腔体，流体从该腔体中流过。两个不同的内部腔体直径形成相距固定距离的两个壁，该壁面通常垂直套筒的纵轴，也就是流体流动的方向。两个壁面确定了超声波能量的反射点。

套筒具有一个单一换能器，或传感器，在微处理器的控制下用来发射和接收超声波信号。该装置操作使用脉冲回波技术，通过该技术可测量出传感器发送信号到两个反射壁的每个反射壁上以及反射回传感器的往返时间。微处理器完成两次渡越时间的测量，并使用这些以及两个反射壁之间已知距离的值计算流动流体中的声速。

本发明中用来完成声速测量的套筒相对廉价。因此，它可以如在医疗过程中作为一个无菌设备中使用的一次性管道装置的一部分。该套筒适应于任何柔性、刚性或半刚性材料类型的管道，仅仅需要适当的装置将这些管道与该套筒的端口以流体类型的方式进行接合。

附图说明

参考下面的说明书和附图，本发明的其他目的和优点将变得更加明显：

图1是套筒长度方向横截面的截面图；

图2是套筒沿图1中A-A连线方向横截面的端视图；并且

图3是与套筒共同使用来测量声速的电路的框图。

具体实施方式

参考图1和图2，测量套筒10被示出。套筒外部是任何所需的形状和大小。它有一个供流体流入的第一端口12，和一个供流体流出的第二端口14。也就是说，流体沿管道纵轴方向流动。该流体可以是液体或气体。每个套筒端口12和14都被定形以容纳管道16的端口或位于管道末尾的适用连接器的端口，使流体能够无泄漏的流入并流出套筒。为了实现这个目的，根据管道和流体的类型和材料，可以使用任何合适类型的连接器。套筒可以是任何适用材料，如丙烯腈(ABS)、聚偏氟乙烯(KYNAR)、氯化聚氯乙烯(CPVC)和聚四氟乙烯(TEFLON)塑料材料。它也可以由金属构成，如不锈钢、钛、镍，还可以由玻璃构成。套筒使用的材料类型与通过它的流体相适应。

套筒10的中空内部包括两个通常是具有不同的直径的圆筒形的部件或腔体20A和20B，与位于上游的部件20B相比，位于下游的部件20A的直径较小。这两个内部部件20A和20B与内部通道22A和22B在套筒端口12和14处相连通，使得流体可以自由地沿套筒纵轴通过它的内部。圆筒形部件20A和20B组成了两道壁面24A和24B，它们通常垂直于套筒纵轴。这两道壁面24A和24B相距已知的固定距离L。一个超声换能器(传感器)30，例如一个压电晶体，被安装在套筒内部中空部件20B的上游端口，与流体流入套筒的位置相邻。在本领域内，公认地，传感器30可以是任何适用材料如PZT(锆钛酸铅)和PVDF(聚偏氟乙烯)。如图2所示，传感器30是环形的。它被安装在一个形状相同但稍大的基片32上，通过合适的粘合剂粘合形成二者的组件。传感器30从源端接收电信号，并将其转换为机电能量(超声波)信号，再沿着套筒长度方向将其发射到壁面24A和24B上。这些机电信号被反射回将它们转换成电信号的传感器30。一对引线34从传感器30开始延伸，使得来自动力源的电信号可以被施加到传感器30上，并将壁面24A和24B上的反射信号作为电信号施加到放大器上。

传感器30和基片32的组件被密封在套筒中。套筒可以在纵向方向分为两半部件来构造，比如塑料成型或机械加工。传感器30和基片32被安装在其中一半部件上，接着将两半部件接合，并且密封引线34的引出口以形成套筒，对于流经其中的流体来说，该套筒是流体密封的。

在图1中，传感器30和第一层壁面24A之间的距离用LA表示，传感器30和第二层内壁面24B之间较小的距离用LB表示。两层壁面之间的距离用L表示，该距离是已知的，也是固定的。传感器30到两层反射壁24A和24B之间的距离LA和LB也是已知的。

在该装置的操作中，通过下文所述的电路，传感器30发送超声波能量信号，该信号是被每个壁面24A和24B反射回传感器30的能量信号。由于从传感器30分别到达壁面24A和24B的距离不同，信号的往返时间也会不同。通过测得的往返时间和壁面24A和24B之间的已知固定距离，可算出套筒中流动流体的声速V。如下公式所示：

$\mathrm{ta}=\frac{2\mathrm{LA}}{V}---\left(1\right)$

$\mathrm{tb}=\frac{2\mathrm{LB}}{V}---\left(2\right)$

其中：

V是声速，

ta是信号从传感器到第一层壁面24A的往返时间，tb是信号从传感器到第二层壁面24B的往返时间，以及

L是第一层和第二层壁面24A和24B之间的已知固定距离。从图中可以看出：

$\mathrm{ta}-\mathrm{tb}=\frac{2(\mathrm{LA}-\mathrm{LB})}{V}---\left(3\right)$

因为LA-LB＝L是已知的，所以

$\mathrm{ta}-\mathrm{tb}=\frac{2L}{V}---\left(4\right)$

且

$V=\frac{2L}{\mathrm{ta}-\mathrm{tb}}---\left(5\right)$

图3是一个电路的框图，该电路与套筒10一起用于测量套筒中流动流体的声速。采用优选具有内存储器的微处理器40。该处理器有一个任何传统类型的输出端口42，如数字显示器。处理器40被编程，周期性地激励发送控制电路44，通过引线34以一定的时间间隔为传感器30提供电信号脉冲。发送控制电路44可以是一个连续运行的信号发生器和功率放大器，并且由微处理器控制，以一定时间间隔开启，为传感器30提供脉冲信号。或者，微处理器能在恰当的时间激励发送控制电路44，为传感器30提供脉冲信号串。

传感器从发送控制电路44接收到的脉冲信号串被转换成机电能量，并由传感器30发出，经由壁面24A和24B反射回到传感器。传感器将接收到的反射能量信号转换成电信号，该电信号被施加到高速放大器52上。通过高速放大器50的信号被施加到高速模数(A/D)转换器52上，并将数字输出提供给微处理器40。更优地，在微处理器和高速放大器50之间有一个反馈控制电路54，该电路将放大器输出的信号振幅归一化，从而使A/D转换器输出的信号振幅适用于微处理器。

由于壁面距传感器的距离LA和LB不同，来自两层壁面24A和24B的反射信号到达传感器30的时间也不同。距离LA和LB可以由套筒的制造规格得知，并编入微处理器。由于从两个壁面接收信号的近似时间已知，微处理器在不同的接收时间建立个窗口用于接收为从壁面24A和24B分别反射回的信号。

由于微处理器知道经由传感器30的信号的发送时间以及每个壁面24A和24B的反射信号的接收时间，它可以计算出两个不同的往返时间tb和ta。微处理器也被编程来计算两次传送时间之差ta-tb。此外，由于已被预编入已知的固定距离L的值，通过方程(5)，微处理器可以很容易的计算出流体声速V的值。

典型的套筒尺寸规格和电子设备的规格如下：

套筒总长度3.0英寸或小于3.0英寸至12.0英寸或大于12.0英寸

根据流体类型、管道尺寸等，可以选出最能满足特殊应用的套筒的内部和外部的尺寸规格以及信号的频率和特性。

方便起见，本发明的具体特点在一个或多个附图中示出，因为根据本发明，每一个特点都可以与其它特点相结合。本领域中的技术人员将能找出可代替的实施例，并认识到该实施例包括在本发明权利要求的范围内。所有这些显而易见的变化和修改都在所附的权利要求书的专利保护范围之内。

Claims (18)

1.一种测量管道中流动流体声速的装置，包括：

被放置在管道端口之间的具有第一和第二端口的纵长套筒，所述套筒具有由不同直径的第一和第二腔体所组成的内部中空部件，该部件与所述第一和第二端口相连，从而限定了沿套筒纵轴方向延展的第一层和第二层壁面，且该壁面之间相隔已知的距离，其中，流体从所述第一端口流入，穿过所述内部部件，并从所述第二端口流出；

安装在所述内部中空部件中的压电传感器，该传感器将信号能量发射到所述第一层和第二层壁面，并反射回所述传感器；

包括微处理器的电路，该电路通过所述传感器控制信号能量的传输，并计算该信号能量由所述传感器传送到每个所述第一层和第二层壁面，并反射回所述传感器的往返时间；其中

所述微处理器被编入所述第一层和第二层壁面之间的已知距离，并根据两次测得的往返时间的差和已知的固定距离计算流动流体中的声速。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述套筒的内部中空部件的第一和第二个腔体为圆筒形。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述传感器被安装在所述第一腔体与所述套筒的第一端口相邻的起点处。

4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述传感器是环形的。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述传感器被安装在所述腔体与所述套筒的第一端口相邻的起点处。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一层和第二层壁面垂直于套筒纵轴。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述微处理器建立窗口以选择性测定经由每个所述第一层和第二层壁面反射回所述传感器的信号能量。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，声速V根据如下公式计算：

$V=\frac{2L}{\mathrm{ta}-\mathrm{tb}},$

其中：

t_a是信号从传感器到距离所述传感器最远的第一层壁面的往返时间，

t_b是信号从传感器到第二层壁面的往返时间，以及

L是第一层和第二层壁面之间的已知固定距离。

9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述套筒的第一端口被用来容纳管道，该管道将流体发送到所述套筒的内部中空的部件中，且所述第二端口也被用来容纳管道，流体通过该管道流出所述套筒。

10.一种测量管道中流动流体声速的方法，包括以下步骤：

提供一个具有第一和第二端口的纵长套筒，该套筒与一个内部中空的部件相连通，且具有不同直径的第一腔体和第二腔体，该腔体限定了第一层和第二层壁面，该壁面沿套筒纵轴方向延伸，并它们之间相距已知距离；

将所述套筒置于管道端口之间，使流体流入所述第一端口，穿过所述内部部件并从所述第二端口流出；

提供传感器，该传感器位于在所述壁面中空部件中，将信号能量发射到所述第一层和第二层壁面上，并反射回所述传感器；

测量该信号被所述传感器发送到所述第一层和第二层壁面，并反射回所述传感器的往返时间；以及

根据两次测得的往返时间之差和已知的所述第一层和第二层壁面之间的固定距离计算流动流体中的声速。

11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括，建立窗口以选择性地接收从所述第一层和第二层壁面反射回的每个信号的步骤。

12.根据权利要求10所述的方法，其中，声速V根据如下公式计算：

$V=\frac{2L}{\mathrm{ta}-\mathrm{tb}},$

其中：

t_a是信号从传感器到距离所述传感器最远的第一层壁面的往返时间，

t_b是信号从传感器到第二层壁面的往返时间，以及

L是第一层和第二层壁面之间的已知固定距离。

13.一个用于测量管道中流动流体声速的装置中与管道共线的套筒，该套筒包括：

具有第一和第二端口的纵长筒身，该筒身位于管道的端口之间，所述筒身与第一和第二端口相连通，且具有一个由直径不同的第一腔体和第二腔体组成的内部中空的部件，从而限定了第一层和第二层壁面，该壁面沿套筒纵轴延伸，并且相距已知的距离，其中，流体从所述第一端口流入，穿过所述内部部件，并从所述第二端口流出；以及

压电传感器，该传感器位于在所述壁面中空部件中，将信号能量发送到所述第一层和第二层壁面，并反射回所述传感器。

14.根据权利要求13所述的套筒，其中，所述筒身的内部中空部件的第一和第二腔体是圆筒形的。

15.根据权利要求13所述的套筒，其中，所述传感器被安装在所述第一腔体与所述筒身的第一端口相邻的起点处。

16.根据权利要求14所述的套筒，其中，所述传感器是环形的。

17.根据权利要求16所述的套筒，其中，所述传感器被安装在所述第一腔体与所述筒身的第一端口相邻的起点处。

18.根据权利要求13所述的套筒，其中，所述第一层和第二层壁面垂直于所述筒身的纵轴。