CN108458758A - 一种新型的超声波流体流量计及测量流体流速的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种新型的超声波流体流量计，涉及流体流量测量领域，包括管道、设置在管道内壁的内敷层、分别位于管道上侧和下侧上超声波传感器和下超声波传感器，上超声波传感器和下超声波传感器分别设有上超声探头和下超声探头；上超声波传感器与发射电子电路连接，下超声波传感器与接收电子电路连接；上超声探头和下超声探头与内敷层之间分别设有声阻抗层和匹配层，声阻抗层的一端与内敷层连接，匹配层的一端和上超声探头或下超声探头连接；本发明解决了现有的超声波流体流量计在管道中的超声换能器会产生内壁管的凹陷或突起，破坏了在测量区域的局部流速分布，导致测量结果不准确的问题。
Description
技术领域
本发明涉及流体流量测量领域，尤其涉及一种新型的超声波流体流量计及测量流体流速的方法。
背景技术
在流体流量测量领域，采用超声方法测量流体流速的许多先进技术产品已经被设计出来。在这个领域，发明专利的数量是巨大的。一般来说，这些超声流量计多数是一种声波传播的类型，它沿一条对角线的直线与流动流体的纵轴相交，并与流体的流动相比较。利用超声波传播时间差计算流体流动速度，通常采用的是插入式，也就是，超声传感器与被测量的流体直接接触。这种仪表配置的缺点是,为了保持管道内流动的流体与超声波在纵轴方向的夹角,安装在管道中的超声换能器会产生内壁管的凹陷或突起。这样的设计破坏了在测量区域的局部流速分布。此外，此种设计方法对后续超声波流量计的维修等带来不便，如拆卸十分不方便。
还有一种超声波流量计测流体流速采用的是相关法，当超声波信号穿过管道时,超声波信号会受到流体速度场的调制,调制后的超声波信号中就包含了流体速度场的信息,对此超声波信号进行分析,提取与流动状况有关的流动信号将其作相关运算，得到相关函数数Rxy(τ)：
其中x(t)和y(t)分别是上(下)游声道工作时，输入和输出声信号。
该函数峰值所对应的时间位移量τ0就是流体从上游传递到下游的时间,反之亦然，即该系统中的顺逆传递时间(也称渡越时间)。为了简化计算,一般采用极性相关, 为了减小量化带来的误差,一般需要较长的积分时间,而且在量化的同时也丢失了流动信号中包含的与流动状态有关的信息。因此该种方法在测量时间精度上不高，采用这种方法测量流体流速往往需要流体满足特殊的要求，需要流体的信息变化不太快速以及流场信息不十分复杂以获取较为准确的时间差。
发明内容
本发明的目的在于：为解决现有的超声波流体流量计在管道中的超声波传感器会产生内壁管的凹陷或突起，破坏了在测量区域的局部流速分布，导致测量结果不准确的问题，本发明提供一种新型的超声波流体流量计及测量流体流速的方法。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：
一方面，本发明公开一种新型的超声波流体流量计，包括管道、设置在管道内壁的内敷层、分别位于管道上侧和下侧的上超声波传感器和下超声波传感器，上超声波传感器和下超声波传感器分别设有上超声探头和下超声探头；上超声波传感器与发射电子电路连接，下超声波传感器与接收电子电路连接；上超声探头和下超声探头与内敷层之间分别设有声阻抗层和匹配层，声阻抗层的一端与内敷层连接，匹配层的一端和上超声探头或下超声探头连接。
具体地，所述匹配层的厚度为1/4超声波波长的奇数倍。
优选地，所述声阻抗层的阻抗为以下。
优选地，所述内敷层的声速为1400m/s以下。
进一步地，所述上超声波传感器和下超声波传感器均匀发射接收一体式超声波传感器。
另一方面，本发明公开一种新型的超声波流体流量计测量流体流速的方法，包括如下步骤：
S1：发射电路控制超声波传感器发出可正交化的输入信号f(t)；
S2：输入信号f(t)经过匹配层、声阻抗层和内敷层后成为信号f1(t)；
S3：信号f1(t)经过信号为g(τ)的流体后成为信号y(t)；同时，信号y(t) 被信号为n(t)的杂质信息影响后成为信号z(t)，下超声波传感器接收到信号 z(t)经过接收电路处理；
S4：对信号z(t)进行变换后计算得到顺流时间。
进一步地，所述S4的具体步骤为：
S41：对信号z(t)进行正交变换后得到信号zT(t)；
S42：采用如下公式计算得到时间差：
其中，τ为相关函数自变量，T为积分时间，函数R(τ)的峰值即为对应的时间差。
进一步地，所述上超声波传感器和所述均为发射接收一体式超声波传感器，在进行S1至S4的同时，进行如下步骤：
S1-1：发射电路控制下超声波传感器发出可正交化的输入信号F(t)；
S2-2：输入信号F(t)经过匹配层、声阻抗层和内敷层后成为信号F1(t)；
S3-3：信号F1(t)经过信号为G(τ)的流体后成为信号Y(t)；同时，信号 Y(t)被信号为N(t)的杂质信息影响后成为信号Z(t)，上超声波传感器接收到信号Z(t)经过接收电路处理；
S4-4：对信号Z(t)进行变换后计算得到逆流时间；
S5-5：根据时间差来计算流体流速。
进一步地，所述S4-4的具体步骤为：
S4-41：对信号Z(t)进行正交变换后得到信号ZT(t)；
S4-42：采用如下公式计算得到时间差：
其中，τ为相关函数自变量，T为积分时间，函数R1(τ)的峰值即为对应的时间差。
采用上述方案后，本发明的有益效果如下：
1.本发明的超声探头和管道之间增加了匹配层、声阻抗层和内敷层，这种外夹的方式，避免了超声波探头与管道内被测流体直接接触，便于拆卸和维修，具有很好的实用性和商业价值。
2.当匹配层的厚度为1/4波长的奇数倍，才能满足涉及的最佳要求此时让信号没有衰减的到达阻抗层。
3.声阻抗层的阻抗为以下，由于现实材料限制，阻抗不能一直小下去，阻抗越小到空气的透射率越大，信号衰减越小，便于信号的接收。
4.在管道内壁加入内敷层，且内敷层与流体接触的一侧具有不粘黏特性，使得管道的内管壁不会因为长时间使用而黏上一层杂质而减小其内径，进而保证了整个超声波流体流量计的测量精度不会因为长期使用而降低。
5.内敷层的声速为1400m/s以下，小的声速可以降低声波从该材料进入空气时的折射效应。
6.本发明中对接收到的信号先进行了正交变换，正交变换后的图像可以得到较为尖锐，由于时间测量是通过峰值得到，因此图像越尖锐越好，这样时间的测量精度得到了保障。
7.本发明的上超声波传感器和下超声波传感器均采用接收发射一体式传感器，使得两个超声波传感器可以同时发射或接收超声波信号，可以减小流场变化对测量的结果产生影响，最终测得的结果更加准确。
8.本发明匹配层解决了声音传播过程中衰减过大的问题，阻抗层重点解决了超声波传播过程中折射效应过大的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中标记：1-1-上超声探头，1-2-下超声探头，2-匹配层，3-声阻抗层，4- 内敷层，5-管道，6-被测量流体。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的一种新型的超声波流体流量计，包括管道5、设置在管道内壁的内敷层4、分别位于管道5上侧和下侧上超声波传感器和下超声波传感器，上超声波传感器和下超声波传感器分别设有上超声探头1-1和下超声探头1-2；上超声探头1-1和下超声探头1-2与内敷层4之间分别设有声阻抗层3和匹配层2，声阻抗层3的一端与内敷层4连接，匹配层2的一端和上超声探头1-1或下超声探头1-2连接；上超声波传感器与发射电子电路连接，下超声波传感器与接收电子电路连接。声阻抗层3的阻抗为以下.
所述匹配层2的厚度为1/4超声波波长的奇数倍。设匹配层2的阻抗为R2，匹配层2的透射系数为tI，R2与tI应满足下式：
其中，R1为超声探头的声阻抗，R3为声阻抗层3的声阻抗，k2为波数，当即匹配层2厚度为1/4波长的奇数倍且时，tI＝1，此时让信号没有衰减的到达阻抗层。
内敷层4的声速为1400m/s以下。在实际操作中，内敷层4的声速应小与 1400m/s以降低声波从该材料进入空气时的折射效应，对应公式为:
其中，α是內敷材料的入射角，β是空气的折射角，c1是內敷层4的声速， c2是空气的声速。
所述上超声波传感器和下超声波传感器均匀发射接收一体式超声波传感器。
实施例2
本实施例的一种新型的超声波流体流量计测量流体流速的方法，包括如下步骤：
S1：发射电路控制上超声波传感器发出可正交化的输入信号f(t)；
S2：输入信号f(t)经过匹配层(2)、声阻抗层(3)和内敷层(4)后成为信号f1(t)；
S3：信号f1(t)经过信号为g(τ)的流体后成为信号y(t)；同时，信号y(t) 被信号为n(t)的杂质信息影响后成为信号z(t)，下超声波传感器接收到信号 z(t)经过接收电路处理；
S4：对信号z(t)进行变换后计算得到顺流时间；
所述S4的具体步骤为：
其中，τ为相关函数自变量，T为积分时间，函数R(τ)的峰值即为对应的顺流时间。
在进行S1至S4的同时，进行如下步骤：
S1-1：发射电路控制下超声波传感器发出可正交化的输入信号F(t)；
S2-2：输入信号F(t)经过匹配层(2)、声阻抗层(3)和内敷层(4)后成为信号F1(t)；。
S3-3：信号F1(t)经过信号为G(τ)的流体后成为信号Y(t)；同时，信号 Y(t)被信号为N(t)的杂质信息影响后成为信号Z(t)，上超声波传感器接收到信号Z(t)经过接收电路处理；
S4-4：对信号Z(t)进行变换后计算得到逆流时间。
所述S4-4的具体步骤为：
S4-41：对信号Z(t)进行正交变换后得到信号ZT(t)；
S4-42：采用如下公式计算得到逆流时间：
其中，τ为相关函数自变量，T为积分时间，函数R1(τ)的峰值即为对应的逆流时间。
S5-5：根据顺逆流时间来计算流体流速。
本发明的工作原理为：本发明在管道的外部安装了一对传感器，分别作为上超声波传感器和下超声波传感器，管道内是流动的流体。填充的特定声阻抗材料通过匹配层与超声波探测器相结合，它们以管道的特定声阻抗材料与管道中的空气为媒介来发射和接收传感器间的超声波脉冲。传感器探头的排列方式使超声脉冲以垂直的角度进入管道填充的特定声阻抗材料，并通过一个折射的角度进入流动的流体。脉冲通过流体传播到对面的管道壁，在那里经折射进入超声波传感器。每个声道中两传感器交替产生超声脉冲，首先从上游到下游换能器，反之亦然。一个计数器用于测量两个传感器之间的声波传播时间。传播时间测量后，知道了传播的距离，就算出了流体的流速。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种新型的超声波流体流量计，其特征在于，包括管道(5)、设置在管道(5)内壁的内敷层(4)、分别位于管道(5)上侧和下侧的上超声波传感器和下超声波传感器，上超声波传感器和下超声波传感器分别设有上超声探头(1-1)和下超声探头(1-2)；上超声波传感器与发射电子电路连接，下超声波传感器与接收电子电路连接；
上超声探头(1-1)和下超声探头(1-2)与内敷层(4)之间分别设有声阻抗层(3)和匹配层(2)，声阻抗层(3)的一端与内敷层(4)连接，匹配层(2)的一端和上超声探头(1-1)或下超声探头(1-2)连接。
2.根据权利要求所述的一种新型的超声波流体流量计，其特征在于，所述匹配层(2)的厚度为1/4超声波波长的奇数倍。
3.根据权利要求所述的一种新型的超声波流体流量计，其特征在于，所述声阻抗层(3)的阻抗为以下。
4.根据权利要求所述的一种新型的超声波流体流量计，其特征在于，所述内敷层(4)与流体接触的一侧具有不粘黏特性。
5.根据权利要求所述的一种新型的超声波流体流量计，其特征在于，所述内敷层(4)的声速小于1400m/s。
6.根据权利要求所述的一种新型的超声波流体流量计，其特征在于，所述上超声波传感器和下超声波传感器均匀发射接收一体式超声波传感器。
7.根据权利要求1-5中任意一条所述的一种新型的超声波流体流量计测量流体流速的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：发射电路控制上超声波传感器发出可正交化的输入信号f(t)；
S2：上传感器发射信号f(t)经过匹配层(2)、声阻抗层(3)和内敷层(4)后成为信号f1(t)；
S3：信号f1(t)经过信号为g(τ)的流体后成为信号y(t)；同时，信号y(t)被信号为n(t)的杂质信息影响后成为信号z(t)，下超声波传感器接收到信号z(t)经过接收电路处理；
S4：对信号z(t)进行变换后计算得到顺流时间。
8.根据权利要求7所述的一种新型的超声波流体流量计测量流体流速的方法，其特征在于，所述S4的具体步骤为：
S41：对信号z(t)进行正交变换后得到信号zT(t)；
S42：采用如下公式计算得到时间差：
其中，τ为相关函数自变量，T为积分时间，函数R(τ)的峰值即为对应的时间差。
9.根据权利要求7所述的一种新型的超声波流体流量计测量流体流速的方法，其特征在于，所述上超声波传感器和所述均为发射接收一体式超声波传感器，在进行S1至S5的同时，进行如下步骤：
S1-1：发射电路控制下超声波传感器发出可正交化的输入信号F(t)；
S2-2：输入信号F(t)经过匹配层(2)、声阻抗层(3)和内敷层(4)后成为信号F1(t)；
S3-3：信号F1(t)经过信号为G(τ)的流体后成为信号Y(t)；同时，信号Y(t)被信号为N(t)的杂质信息影响后成为信号Z(t)，上超声波传感器接收到信号Z(t)经过接收电路处理；
S4-4：对信号z(t)进行变换后计算得到逆流时间；
S5-5：根据顺逆流时间来计算流体流速。
10.根据权利要求9所述的一种新型的超声波流体流量计测量流体流速的方法，其特征在于，S4-4的具体步骤为：
S4-41：对信号Z(t)进行正交变换后得到信号ZT(t)；
S4-42：采用如下公式计算得到时间差：
其中，τ为相关函数自变量，T为积分时间，函数R1(τ)的峰值即为对应的时间差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180828 |
|
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