專利名稱：一種插入式超聲波氣體流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于氣體流量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種插入式超聲波氣體流量計(jì)。
背景技術(shù)：
常用的超聲波流量計(jì)根據(jù)由超聲波換能器組成的測(cè)量結(jié)構(gòu)的不同可分為外貼式超聲波流量計(jì)、管段式超聲波流量計(jì)及插入式超聲波流量計(jì)，其中，外貼式超聲波流量計(jì)安裝超聲波換能器無需管道斷流，但是對(duì)于管道材質(zhì)要求較高，如果管道銹蝕嚴(yán)重或襯里或管道內(nèi)有間隙等問題時(shí)，外貼式超聲波流量計(jì)是無法正常測(cè)量的。管段式超聲波流量計(jì)是將超聲波換能器與氣體管路組成一體，但需要切開管段安裝換能器，無法實(shí)現(xiàn)不斷流安裝測(cè)量，而插入式超聲波流量計(jì)則可以直接插入待測(cè)氣體管路中，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流量的直接測(cè)量。在授權(quán)公告號(hào)為CN20204892U的中國(guó)實(shí)用新型專利說明書中公開了一種插入式超聲波氣體流量計(jì)機(jī)構(gòu)，其同樣是根據(jù)時(shí)差法超聲波測(cè)量原理工作的，這種氣體流量計(jì)包括用于插入氣體管路中的換能器固定架，在換能器固定架上設(shè)有兩相對(duì)布置的超聲波換能器，兩個(gè)超聲波換能器呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，且交替地對(duì)應(yīng)作為發(fā)射和接收元件，兩個(gè)超聲波換能器組成用于在氣體管路中測(cè)量超聲波在待測(cè)氣體中順流傳播時(shí)的順流時(shí)間和逆流傳播時(shí)的逆流時(shí)間的超聲波換能器組。上述的氣體流量計(jì)中的超聲波換能器組沿氣體管路的軸向布置，而在實(shí)際測(cè)量時(shí)，氣體流量計(jì)還可以呈與氣體管路軸向傾斜相交的對(duì)射結(jié)構(gòu)或呈V型反射結(jié)構(gòu)沿氣體管路軸向布置。但是不論采用那種布置形式，最終都需要確定超聲波在流體介質(zhì)中的傳播速度Cf。而超聲波在流體介質(zhì)中的傳播速度Cf超聲波速度受到各種環(huán)境因素的影響，包括待測(cè)氣體組分、溫度、壓力等，在常見的環(huán)境因素中，溫度對(duì)超聲波速度的影響是最嚴(yán)重的，而壓力對(duì)超聲波速度也有比較重要的影響。所以必須進(jìn)行各種補(bǔ)償計(jì)算才能得出計(jì)算出超聲波在流體介質(zhì)中的傳播速度Cf，比如，在空氣中，溫度對(duì)超聲波聲速的影響可按照公式Cair = 331. 45+0. 61t (t攝氏溫度)計(jì)算,而壓力對(duì)聲速的影響可根據(jù)公式v = -Jkp / /7 (v
是聲波在待測(cè)氣體中的速度，k是待測(cè)氣體絕熱系數(shù)，P是待測(cè)氣體壓強(qiáng)，P是待測(cè)氣體密度)來衡量。而待測(cè)氣體組分對(duì)超聲波在流體介質(zhì)中的傳播速度Cf的影響目前僅僅通過超聲波流量裝置自身還無法實(shí)現(xiàn)，只能通過現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定來解決，而氣體管路中的待測(cè)氣體組分是變化的，這樣對(duì)超聲波氣體流量計(jì)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量帶來了很大的難度。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種插入式超聲波氣體流量計(jì)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的插入式氣體流量計(jì)測(cè)量時(shí)仍然需要針對(duì)各種環(huán)境因素進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算才能得出真實(shí)的超聲波在待測(cè)氣體中的傳播速度Cf而影響測(cè)量精度的技術(shù)問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型所提供的插入式超聲波氣體流量計(jì)的技術(shù)方案是插入式超聲波氣體流量計(jì)，包括使用時(shí)插入待測(cè)氣體管路中的換能器固定架，在換能器固定架上固設(shè)有用于測(cè)量超聲波在待測(cè)氣體中順流傳播時(shí)的順流時(shí)間和逆流傳播時(shí)的逆流時(shí)間的超聲波換能器組，所述的氣體流量計(jì)還包括使用時(shí)布置在待測(cè)氣體管路的與所述超聲波換能器組相對(duì)應(yīng)的管段處、且與該管段相連通并供該管段中的待測(cè)氣體自由擴(kuò)散的靜速容器，在靜速容器上布置用于在靜速管中測(cè)量超聲波傳播速度的超聲波換能器。所述的靜速容器為使用時(shí)插入氣體管路中的靜速管，該靜速管具有直管段，所述靜速容器上的超聲波換能器布置在所述直管段上，所述靜速管上還具有使用時(shí)朝向氣體管路中待測(cè)氣體流動(dòng)的下游方向的管壁，管壁上開設(shè)有供待測(cè)氣體自由擴(kuò)散至靜速管中的擴(kuò)散口。所述的靜速管的直管段沿豎直方向延伸，靜速管還具有與固連在所述直管段下端并與該直管段形成彎折布局的彎折管段，所述換能器固定架固連在所述靜速管的彎折管段上。所述的靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個(gè)，所述靜速管上的兩個(gè)超聲波換能器中的其中一個(gè)為發(fā)射元件、另一個(gè)為接收元件。所述的靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個(gè)，所述靜速管上的兩個(gè)超聲波換能器呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)、且相互交替地對(duì)應(yīng)作為發(fā)射和接收元件。所述的靜速管上的超聲波換能器呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，所述靜速管上的呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)的超聲波換能器布置在靜速管的直管段的軸向一端，在靜速管的直管段的軸向另一端布置有用于反射從超聲波換能器中發(fā)射的超聲波的反射部。本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型所提供的插入式超聲波氣體流量計(jì)使用時(shí)插入待測(cè)氣體的氣體管路中，由布置在換能器固定架上的超聲波換能器組測(cè)出超聲波順流傳播時(shí)的順流時(shí)間和逆流時(shí)間，并在靜速容器中測(cè)量計(jì)算得到超聲波在靜速容器的待測(cè)氣體中的傳播速度，然后將順流時(shí)間、逆流時(shí)間及超聲波傳播速度帶入相應(yīng)的時(shí)差法超聲波測(cè)量計(jì)算方程式中計(jì)算得到待測(cè)氣體的流速，進(jìn)而得到待測(cè)氣體流量。本實(shí)用新型所提供的氣體流量計(jì)包括靜速容器，測(cè)量時(shí)，氣體管路中的待測(cè)氣體自由擴(kuò)散到靜速容器中，靜速容器所處的環(huán)境因素如氣體組分、溫度、壓力等因素與待測(cè)氣體的環(huán)境因素一致，在靜速容器中所測(cè)量計(jì)算得的超聲波傳播速度即為超聲波在氣體管路的待測(cè)氣體中的傳播速度，這樣通過在靜速容器直接測(cè)量超聲波在待測(cè)氣體中的傳播速度來消除氣體組分、溫度、壓力等因素的影響，實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)償功能，省去現(xiàn)有技術(shù)中需要考慮到各種環(huán)境因素而做的各種補(bǔ)償計(jì)算。本實(shí)用新型所提供的氣體流量計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳播速度的在線檢測(cè)，保證靜速容器中的氣體和氣體管路中的待測(cè)氣體始終處于同一狀態(tài)下，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度，便于應(yīng)用在各種環(huán)境下的氣體流量的測(cè)量。

圖I是本實(shí)用新型所提供的的插入式超聲波氣體流量計(jì)一種實(shí)施例的使用狀態(tài)示意圖(圖中箭頭所示為氣體管路中的待測(cè)氣體流向)。
具體實(shí)施方式
插入式超聲波氣體流量計(jì)的實(shí)施例，其結(jié)構(gòu)如圖I中所示，包括使用時(shí)固定安裝在氣體管路2上的固定座I和使用時(shí)插入待測(cè)氣體管路中的換能器固定架8，在換能器固定架8上固設(shè)有用于測(cè)量超聲波在待測(cè)氣體中順流傳播時(shí)的順流時(shí)間和逆流傳播時(shí)的逆流時(shí)間的超聲波換能器組，此處的超聲波換能器組包括兩個(gè)收發(fā)一體、且交替地對(duì)應(yīng)作為發(fā)射和接收元件的超聲波換能器5，這兩個(gè)超聲波換能器沿氣體管路的軸向布置，且兩超聲波換能器呈與氣體管路軸向傾斜相交的對(duì)射結(jié)構(gòu)，與現(xiàn)有技術(shù)中的插入式超聲波氣體流量計(jì)的不同之處主要在于該超聲波氣體流量計(jì)在固定座I上固連有使用時(shí)插入氣體管路2的與所述換能器固定架上的超聲波換能器組相對(duì)應(yīng)的管段處、且與該管段相連通并供該管段中的待測(cè)氣體自由擴(kuò)散的靜速容器，該靜速容器為靜速管6，在靜速管6上具有使用時(shí)朝向氣體管路中待測(cè)氣體流動(dòng)的下游方向的管壁，管壁上開設(shè)有供待測(cè)氣體自由擴(kuò)散至靜速管中的擴(kuò)散口 3。所述靜速管6具有沿直線延伸的直管段61，此處的直管段沿豎直方向延伸，在靜速管的直管段61上布置有靜速管中發(fā)射并接收超聲波以用于測(cè)量超聲波傳播速度的超聲波換能器4，此處的靜速管中的超聲波換能器4在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個(gè)，所述靜速管上的兩個(gè)超聲波換能器中的其中一個(gè)為發(fā)射元件、另一個(gè)為接收元件。另外，靜速管6包括沿豎直方向延伸的直管段61和固連在直管段下端并與直管段形成彎折布局的彎折管段62，為方便在使用時(shí)將氣體流量計(jì)插入氣體管路中，所述換能器固定架8固連在所述靜速管的彎折管段62的下部。上述實(shí)施例所提供的插入式氣體流量計(jì)在使用時(shí)，在待測(cè)氣體流過氣體管路2時(shí)，由插入氣體管路2的對(duì)應(yīng)管段中的換能器固定架8上的超聲波換能器組測(cè)量出超聲波在管段中順流傳播時(shí)的順流時(shí)間^及逆流傳播時(shí)的逆流時(shí)間t2 ;待測(cè)氣體在流過氣體管路2的布置有超聲波換能器組的管段時(shí)自由擴(kuò)散到靜速管6中，靜速管6的直管段61上布置的向靜速管中發(fā)射并接收超聲波的超聲波換能器4工作，根據(jù)靜速管上超聲波換能器的布局獲得超聲波在靜速管中傳播的聲程，由靜速管中的超聲波換能器發(fā)射并接收超聲波以獲得超聲波在聲程中的實(shí)際傳播時(shí)間，由聲程除以超聲波在靜速管中的實(shí)際傳播時(shí)間即可得到超聲波傳播速度Cf，然后將所測(cè)得的t2、Cf代入下述方程中以求得待測(cè)流體在氣體管路中的流速V，進(jìn)而得到待測(cè)流體的流量，
K4— S S
c/'v L/+v(I)Δ t=t2-t!(2)V' =vf ( θ ) (3)其中，S為超聲波在氣體管路中傳播的聲程，V'則是待測(cè)氣體的流速V在超聲波傳播方向上的分速度，f ( Θ )為三角函數(shù)，S和f ( Θ )均根據(jù)氣體管路中超聲波換能器組的布局而獲得。上述實(shí)施例中，擴(kuò)散口開設(shè)在靜速管的使用時(shí)朝向氣體管路中待測(cè)氣體流動(dòng)的下游方向的管壁上，這樣可以有效保證待測(cè)氣體是自由擴(kuò)散到靜速管中，進(jìn)而提高測(cè)量精度。上述實(shí)施例中，靜速容器為便于插入氣體管路中的靜速管結(jié)構(gòu)，在其他實(shí)施例中，靜速容器也可以呈箱形等結(jié)構(gòu)。靜速容器還可以不插入氣體管路中，將靜速容器設(shè)置在氣體管路外，然后通過擴(kuò)散管將靜速容器與氣體管路的與換能器固定架上的超聲波換能器組對(duì)應(yīng)的管段相連通的擴(kuò)散管固連在氣體管路上，氣體管路的對(duì)應(yīng)管段中的待測(cè)氣體通過擴(kuò)散管自由擴(kuò)散到靜速容器中，此時(shí)，可以在位于氣體管路外的靜速容器中進(jìn)行超聲波的傳播速度的測(cè)量計(jì)算，不影響測(cè)量結(jié)果。上述實(shí)施例中，靜速管的直管段沿豎直方向延伸，這樣便于將靜速管插入氣體管路中，在其他實(shí)施例中，也可以使靜速管的直管段沿氣體管路的軸向延伸。上述實(shí)施例中，換能器固定架上的兩個(gè)超聲波換能器與氣體管路軸向傾斜相交的對(duì)射結(jié)構(gòu)的布置形式，在其他實(shí)施例中，也可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的呈呈45° V型反射結(jié)構(gòu)布置，不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，不過此時(shí)，需要在換能器固定架上預(yù)先設(shè)置有用于反射從超聲波換能器中發(fā)射出的超聲波的反射部，這樣可以預(yù)先計(jì)算出超聲波在氣體管路中的聲程。或者也可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的呈X型雙聲道布置的四個(gè)超聲波換能器的布置形式。換能器固定架上的四個(gè)呈X型布置的超聲波換能器均為收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗膫€(gè)超聲波換能器組成兩個(gè)測(cè)量聲道，這樣對(duì)于每一個(gè)聲道來講，只要有一個(gè)發(fā)射元件和一個(gè)接收元件即可，當(dāng)然，四個(gè)超聲波換能器也可以單獨(dú)為發(fā)射元件或接收元件，只要不影響測(cè)量超聲波在氣體管路待測(cè)氣體中傳播時(shí)的順流時(shí)間和逆流時(shí)間即可。在其他實(shí)施例中，還可以在換能器固定架上于兩個(gè)呈V型布置的超聲波換能器的正對(duì)側(cè)正中位置處即超聲波反射位置處布置有作為接收元件的超聲波傳感器，這種在換能器固定架上布置三個(gè)超聲波換能器的形式可以消除整個(gè)超聲波檢測(cè)裝置因自身裝置所帶來的時(shí)間延遲，可以最大程度的提高順流時(shí)間和逆流時(shí)間的測(cè)量精度。上述實(shí)施例中，靜速管上的超聲波換能器的布置方式還可以為所述靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個(gè)，所述靜速管的直管段上的兩個(gè)超聲波換能器呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)、且相互交替地對(duì)應(yīng)作為發(fā)射和接收元件?；蛘卟捎萌缦虏贾梅绞剿鲮o速管上的超聲波換能器呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，所述靜速管上的呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)的超聲波換能器布置在靜速管的直管段的軸向一端，在靜速管的直管段的軸向另一端布置有用于反射從超聲波換能器中發(fā)射的超聲波的反射部。在上述列舉的布置方式中，靜速管上的超聲波換能器均采用對(duì)射結(jié)構(gòu)，在其他實(shí)施例中，靜速管上的超聲波換能器還可以采用V型反射結(jié)構(gòu)布局或其他布局，只要可以測(cè)量出超聲波在靜速管中的聲程及傳播時(shí)間即可。本實(shí)用新型所提供的插入式超聲波氣體流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了超聲波在被測(cè)氣體中傳播時(shí)的直接測(cè)量，通過靜速管保證了所測(cè)量的聲速的準(zhǔn)確性，整個(gè)裝置簡(jiǎn)單可靠。
權(quán)利要求1.一種插入式超聲波氣體流量計(jì)，包括使用時(shí)插入待測(cè)氣體管路中的換能器固定架(8)，在換能器固定架上固設(shè)有用于測(cè)量超聲波在待測(cè)氣體中順流傳播時(shí)的順流時(shí)間和逆流傳播時(shí)的逆流時(shí)間的超聲波換能器組，其特征在于所述的氣體流量計(jì)還包括使用時(shí)布置在待測(cè)氣體管路的與所述超聲波換能器組相對(duì)應(yīng)的管段處、且與該管段相連通并供該管段中的待測(cè)氣體自由擴(kuò)散的靜速容器，在靜速容器上布置用于在靜速管中測(cè)量超聲波傳播速度的超聲波換能器(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的插入式超聲波氣體流量計(jì)，其特征在于所述的靜速容器為使用時(shí)插入氣體管路中的靜速管，該靜速管具有直管段，所述靜速容器上的超聲波換能器布置在所述直管段上，所述靜速管上還具有使用時(shí)朝向氣體管路中待測(cè)氣體流動(dòng)的下游方向的管壁，管壁上開設(shè)有供待測(cè)氣體自由擴(kuò)散至靜速管中的擴(kuò)散口。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的插入式超聲波氣體流量計(jì)，其特征在于所述的靜速管的直管段沿豎直方向延伸，靜速管還具有與固連在所述直管段下端并與該直管段形成彎折布局的彎折管段，所述換能器固定架固連在所述靜速管的彎折管段上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的插入式超聲波氣體流量計(jì)，其特征在于所述的靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個(gè)，所述靜速管上的兩個(gè)超聲波換能器中的其中一個(gè)為發(fā)射元件、另一個(gè)為接收元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的插入式超聲波氣體流量計(jì)，其特征在于所述的靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個(gè)，所述靜速管上的兩個(gè)超聲波換能器呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)、且相互交替地對(duì)應(yīng)作為發(fā)射和接收元件。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的插入式超聲波氣體流量計(jì)，其特征在于所述的靜速管上的超聲波換能器呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，所述靜速管上的呈收發(fā)一體結(jié)構(gòu)的超聲波換能器布置在靜速管的直管段的軸向一端，在靜速管的直管段的軸向另一端布置有用于反射從超聲波換能器中發(fā)射的超聲波的反射部。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種插入式超聲波氣體流量計(jì)，包括使用時(shí)插入待測(cè)氣體管路中的換能器固定架，在換能器固定架上固設(shè)有用于測(cè)量超聲波在待測(cè)氣體中順流傳播時(shí)的順流時(shí)間和逆流傳播時(shí)的逆流時(shí)間的超聲波換能器組，還包括使用時(shí)布置在待測(cè)氣體管路的與所述超聲波換能器組相對(duì)應(yīng)的管段處、且與該管段相連通并供該管段中的待測(cè)氣體自由擴(kuò)散的靜速容器，在靜速容器上布置用于在靜速管中測(cè)量超聲波傳播速度的超聲波換能器。本實(shí)用新型所提供的氣體流量計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波傳播速度的在線檢測(cè)，保證靜速容器中的氣體和氣體管路中的待測(cè)氣體始終處于同一狀態(tài)下，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度，便于應(yīng)用在各種環(huán)境下的氣體流量的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F15/04GK202814469SQ201220510858
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者王新亞, 李震虹, 李波, 趙彤凱, 劉東旭, 李宏剛, 羅成遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:鄭州光力科技股份有限公司