專利名稱：一種多聲道超聲波流量測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流量測(cè)量方法及裝置，尤其是涉及一種多聲道超聲波流量測(cè)量方法及
>J-U裝直。
背景技術(shù)：
超聲波流量計(jì)是利用流體流動(dòng)對(duì)超聲波脈沖或者超聲波束的信號(hào)調(diào)制作用，并通過檢測(cè)信號(hào)的變化來(lái)獲得體積流量的一種計(jì)量?jī)x表。超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理可分為時(shí)差法，多普勒法，波束偏移法，相關(guān)法以及噪聲法等。本專利所針對(duì)的是利用時(shí)差法進(jìn)行測(cè)量的超聲波流量測(cè)量方法。該流量測(cè)量方法可對(duì)常見液體、氣體等進(jìn)行測(cè)量。在流體傳輸過程中，不可避免的會(huì)使用突擴(kuò)管、單彎管、雙彎管、截流管、閥門等裝置，流場(chǎng)會(huì)由此出現(xiàn)渦流等流場(chǎng)不穩(wěn)定的情況。流場(chǎng)擾流對(duì)時(shí)差式超聲波流量測(cè)量方法的測(cè)量精度有很大的影響。為了保證測(cè)量精度，通常會(huì)采用多聲道的方法。良好的聲道布置不但能提升計(jì)量的精度，還可以有效的提高流量計(jì)的抗干擾能力以及對(duì)特殊流場(chǎng)的適應(yīng)性。多聲道的設(shè)計(jì)就是為了降低流量計(jì)對(duì)流場(chǎng)波動(dòng)的敏感程度。多聲道超聲波流量計(jì)通過特有的聲道設(shè)計(jì)可以補(bǔ)償由于流場(chǎng)波動(dòng)對(duì)于精度造成的影響，由此降低對(duì)安裝環(huán)境以及流場(chǎng)狀況的苛刻要求。所以，聲道布置方案的設(shè)計(jì)對(duì)于提升流量計(jì)的計(jì)量精度以及適應(yīng)性具有極其關(guān)鍵的影響?，F(xiàn)有的多聲波超聲波流量計(jì)，通常采用兩類典型的聲道布置方案。傳統(tǒng)方案(一)為:采用一個(gè)徑向聲道或兩個(gè)互相交錯(cuò)呈90度的徑向聲道，以及兩個(gè)或四個(gè)各自反射兩次的弦向聲道，這兩個(gè)或四個(gè)弦向聲道線的投影在軸向面上是一個(gè)正三角形或兩個(gè)交錯(cuò)的正三角形；傳統(tǒng)方案(二)為:在多個(gè)與軸向截面垂直的平面上各自有一個(gè)聲道或兩個(gè)交錯(cuò)的聲道。由于流場(chǎng)可能存在渦流或會(huì)發(fā)生激變，上述兩種方案各聲道間的測(cè)量間隔都是固定的，而在流場(chǎng)激變的情況下，各聲道測(cè)量時(shí)所處的流場(chǎng)狀況相差較大，繼而導(dǎo)致其測(cè)量結(jié)果與實(shí)際流場(chǎng)偏差較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多聲道超聲波流量測(cè)量方法及裝置，基于特殊設(shè)置的聲道布置，可以使得各聲道間測(cè)量時(shí)間間隔的隨著壓力傳感器的實(shí)時(shí)檢測(cè)而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一、一種多聲道超聲波流量測(cè)量方法，該方法的步驟如下:
(1)在聲道測(cè)量區(qū)域的前端布置一個(gè)壓力傳感器，壓力傳感器與各聲道的軸向中心位置的距離相等；
(2)在管段上安裝個(gè)數(shù)為聲道數(shù)2倍的換能器，其中每?jī)蓚€(gè)換能器的連線構(gòu)成一個(gè)聲道，且聲道與管段的軸線呈15°；
(3)各換能器所對(duì)應(yīng)的聲道分為弦向聲道和徑向聲道，即有一條徑向聲道以及至少三條弦向聲道，各弦向聲道按其聲道數(shù)目在軸向截面上的投影為正多邊形；
(4)根據(jù)壓力傳感器測(cè)量結(jié)果，對(duì)各個(gè)聲道之間的測(cè)量時(shí)間間隔進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，每條弦聲道進(jìn)行流量測(cè)量的同時(shí)，信號(hào)處理模塊讀取壓力傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算所有弦聲道測(cè)量時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的壓力傳感器測(cè)量結(jié)果方差；若壓力傳感器測(cè)量結(jié)果方差小于設(shè)定值A(chǔ)0，則認(rèn)為各弦聲道測(cè)量結(jié)果有效；若壓力傳感器測(cè)量結(jié)果方差大于設(shè)定值A(chǔ)0，則認(rèn)為各弦聲道測(cè)量結(jié)果無(wú)效，減小各聲道之間的測(cè)量時(shí)間間隔進(jìn)行再次測(cè)量，直至壓力傳感器測(cè)量結(jié)果方差小于設(shè)定值A(chǔ)0，則此時(shí)的各弦向流速測(cè)量結(jié)果有效；
(5)將所有弦聲道所測(cè)得的流速進(jìn)行平均，作為平均流速測(cè)量結(jié)果，計(jì)算平均流速測(cè)量結(jié)果與徑向聲道所測(cè)得的流速數(shù)值之間的比值，通過該比值來(lái)判斷流場(chǎng)所處的狀態(tài)。所述正多邊形為正三角形弦聲道時(shí)，對(duì)于正三角形弦聲道+徑聲道的四聲道布置而言:比值小于kl=3/4時(shí)，判定流場(chǎng)為層流狀態(tài)，采用層流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值大于k2=4/5時(shí)，判定流場(chǎng)為紊流狀態(tài)，采用紊流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值處于kl到k2之間時(shí)，流場(chǎng)處于層紊流之間的過渡狀態(tài)，采用過渡狀態(tài)流量修正模型，從平均流速測(cè)量計(jì)算體積流量；層流流量修正模型與紊流流量修正模型通過流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)事先獲得。所述正多邊形為正方形弦聲道時(shí)，對(duì)于正方形弦聲道+徑聲道的五聲道布置而言:比值小于kl=0.5時(shí)，判定流場(chǎng)為層流狀態(tài)，采用層流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值大于k2=0.84時(shí)，判定流場(chǎng)為紊流狀態(tài)，采用紊流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值處于kl到k2之間時(shí)，流場(chǎng)處于層紊流之間的過渡狀態(tài)，采用過渡狀態(tài)流量修正模型，從平均流速測(cè)量計(jì)算體積流量；層流流量修正模型與紊流流量修正模型通過流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)事先獲得。二、一種多聲道超聲波流量測(cè)量裝置:
本發(fā)明在管段上等分空間布置安裝個(gè)數(shù)為聲道數(shù)2倍的換能器，其中每?jī)蓚€(gè)換能器的連線構(gòu)成一條聲道，且其聲道與管段的軸線呈15° 75。;在聲道測(cè)量區(qū)域的前端布置一個(gè)壓力傳感器，壓力傳感器與各聲道的軸向中心位置的距離相等；各換能器所對(duì)應(yīng)的聲道分為弦向聲道和徑向聲道，即由一條徑向聲道和三條弦向聲道構(gòu)成，各弦向聲道按其聲道數(shù)在軸向截面上的投影為正三角形，徑向聲道與正三角形的底邊平行；或由一條徑向聲道和四條弦向聲道構(gòu)成，各弦向聲道按其聲道數(shù)目在軸向截面上的投影為正方形，徑向聲道與正方形的一邊平行。本發(fā)明具有的有益效果是:
(I)根據(jù)壓力傳感器對(duì)流場(chǎng)壓力狀況的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以由一個(gè)周期內(nèi)流場(chǎng)的壓力方差值與初始值作比較，進(jìn)而增加或減小聲道測(cè)量的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)多聲道的聲道測(cè)量時(shí)間隔的實(shí)時(shí)調(diào)整。使得該流量計(jì)可以適應(yīng)流場(chǎng)激變的場(chǎng)合，計(jì)量結(jié)果更切合實(shí)際，更精確。而傳統(tǒng)方法各聲道之間的測(cè)量時(shí)間間隔無(wú)法根據(jù)工況自行調(diào)整，更無(wú)根據(jù)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整的現(xiàn)有方法。(2)本發(fā)明各聲道中同時(shí)存在徑向聲道與弦向聲道，將所測(cè)得的兩種速度做比，SP可以判斷當(dāng)前的流場(chǎng)狀態(tài)是處于層流或是紊流。(3)本發(fā)明的弦向聲道在軸向面上的投影呈正三角形或正方形，都是規(guī)則的完全對(duì)稱的聲道布置，可以有效的消除流場(chǎng)的徑向速度分量對(duì)于實(shí)際的軸向方向的流度的影響。(4)本發(fā)明所公開的兩種聲道布置方案中，雖然“正三角形弦聲道+徑聲道”的四聲道布置其弦聲道軸向投影也為正三角形，這與傳統(tǒng)方案(一)一樣，但本發(fā)明中軸向投影正三角形或正方形的每個(gè)邊都為一個(gè)獨(dú)立的聲道，每條邊所對(duì)應(yīng)聲道的中心位置與壓力傳感器之間的軸向距離相等，以確保壓力傳感器對(duì)各聲道具有相同的空間與時(shí)間參考，而傳統(tǒng)方案(一)中，每個(gè)正三角形的三條邊為具有兩次反射的同一個(gè)聲道，每條邊的軸向中心位置也不同。


圖1是本發(fā)明“正三角形弦聲道+徑聲道”四聲道布置的正視圖。圖2是本發(fā)明“正三角形弦聲道+徑聲道”四聲道布置的軸向投影圖。圖3是本發(fā)明“正方形弦聲道+徑聲道”五聲道布置的正視圖。圖4是本發(fā)明“正方形弦聲道+徑聲道”五聲道布置的軸向投影圖。圖5是本發(fā)明中根據(jù)壓力傳感器測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整各聲道之間測(cè)量時(shí)間間隔的流程圖。圖1、圖2中:1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B均為收發(fā)兩用的換能器。1、2、3均為弦向聲道線，4、徑向聲道線，5、壓力傳感器，1、2、3聲道在軸向截面上呈正三角形布置。圖3、圖 4 中:1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B、6A、6B 均為收發(fā)兩用的換能器。1、2、3、
6均為弦向聲道線,4、徑向聲道線,5、壓力傳感器。1、2、3、6聲道在軸向截面上呈正方形布置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如圖1、圖2所示，本發(fā)明在管段上每隔120°等分空間布置安裝兩個(gè)收發(fā)兩用的換能器為一組的三條弦向聲道和徑向聲道，即收發(fā)兩用的換能器IA和IB的連線構(gòu)成第I條聲道，收發(fā)兩用的換能器2A和2B的連線構(gòu)成第2條聲道和收發(fā)兩用的換能器3A和3B的連線構(gòu)成第3條聲道，4A和4B構(gòu)成徑向聲道；三條聲道在軸向截面上的投影為正三角形，即IA (3B)、2A (IB)和3A (2B)三條聲道構(gòu)成的正三角形，徑向聲道與正三角形的底邊平行，每條聲道線與管段的軸線呈15° 75°，在聲道測(cè)量區(qū)域的前端管段上布置一個(gè)壓力傳感器5，壓力傳感器5與各聲道的軸向中心位置的距離相等。如圖3、圖4所示，本發(fā)明在管段上每隔90°等分空間布置安裝兩個(gè)收發(fā)兩用的換能器為一組的四條聲道和徑向聲道，即收發(fā)兩用的換能器IA和IB的連線構(gòu)成第I條聲道，收發(fā)兩用的換能器2A和2B的連線構(gòu)成第2條聲道、收發(fā)兩用的換能器3A和3B的連線構(gòu)成第3條聲道和收發(fā)兩用的換能器6A和6B的連線構(gòu)成第4條聲道，4A和4B構(gòu)成徑向聲道；四條聲道在軸向截面上的投影為正四邊形，S卩IA (6B)、2A (1B)、3A (2B)和6A(3B)聲道構(gòu)成的正四角形，徑向聲道4與正四邊形的一邊平行，每條聲道線與管段的軸線呈15° 75°，在聲道測(cè)量區(qū)域的前端管段上布置一個(gè)壓力傳感器5,壓力傳感器5與各聲道的軸向中心位置的距離相等。圖1至圖4中，壓力傳感器位于整個(gè)聲道測(cè)試區(qū)域的前段，用于獲取管道壓力信息并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)流場(chǎng)變化情況。軸向投影為正三角形或正方形的每個(gè)邊都為一個(gè)獨(dú)立的聲道，每條邊所對(duì)應(yīng)聲道的中心位置與壓力傳感器之間的軸向距離相等，以確保壓力傳感器對(duì)各聲道具有相同的空間與時(shí)間參考。如圖5所示，各個(gè)聲道之間的測(cè)量時(shí)間間隔，通過壓力傳感器對(duì)流場(chǎng)狀況的實(shí)時(shí)檢測(cè)而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。每次聲道測(cè)量的同時(shí)需要進(jìn)行一次壓力檢測(cè)，正常工況下只需對(duì)其弦向聲道進(jìn)行測(cè)量。利用離散型隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)模型，求這三個(gè)壓力值的方差，若這三個(gè)壓力值的方差小于設(shè)定值A(chǔ)O時(shí)，則認(rèn)為該次測(cè)量的流場(chǎng)狀況穩(wěn)定，所得的聲道測(cè)量值符合要求，經(jīng)過預(yù)定的休眠時(shí)間TS后，再執(zhí)行下一次的測(cè)量。若該次測(cè)量的壓力值的方差小于0.8倍設(shè)定值A(chǔ)O時(shí)，將各聲道之間的測(cè)量時(shí)間間隔增加到初始值TO的120%。若該次測(cè)量壓力值的方差大于設(shè)定值A(chǔ)O時(shí)，則重置該測(cè)量，并將各聲道之間的測(cè)量時(shí)間間隔減小到初始值TO的80%，不經(jīng)歷休眠時(shí)間TS直接以此時(shí)間間隔重新開始測(cè)量。若各聲道之間測(cè)量時(shí)間間隔改變后測(cè)量所得的壓力值的方差小于設(shè)定值A(chǔ)O時(shí)，則認(rèn)為該時(shí)刻的流場(chǎng)狀況穩(wěn)定，所得的聲道測(cè)量值符合要求。若不符合，則將各聲道之間測(cè)量的時(shí)間間隔減小到初始值TO的60%，不經(jīng)歷休眠時(shí)間TS重新依次開始各聲道的測(cè)量。依次類推，若測(cè)量時(shí)間間隔改變后所測(cè)得的壓力值的方差仍不符合小于設(shè)定值A(chǔ)O的要求，則將各聲道之間測(cè)量的時(shí)間間隔再減小到初始值TO的40%、20%、10%甚至更小，直至連續(xù)兩次完整測(cè)量所測(cè)得的壓力測(cè)試值的方差均小于設(shè)定值A(chǔ)O時(shí)，則認(rèn)為流場(chǎng)處于穩(wěn)定狀況，流場(chǎng)狀態(tài)未變，弦聲道測(cè)量結(jié)果有效。當(dāng)弦聲道測(cè)量結(jié)果有效時(shí)，執(zhí)行一次徑向聲道的測(cè)量，用以判斷流場(chǎng)是否發(fā)生層紊流狀況的轉(zhuǎn)變。如圖1和圖2中，在1、2、3聲道測(cè)完之后進(jìn)行4聲道的測(cè)量。如圖3和圖4中，在1、2、3、6聲道測(cè)完之后進(jìn)行4聲道的測(cè)量。將所有弦聲道所測(cè)得的流速信息進(jìn)行平均，作為平均流速測(cè)量結(jié)果。計(jì)算平均流速測(cè)量結(jié)果與徑向聲道所測(cè)得的流速數(shù)值之間的比值。對(duì)于“正三角形弦聲道+徑聲道”的四聲道布置而言:比值小于kl=3/4時(shí)，判定流場(chǎng)為層流狀態(tài)，采用層流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值大于k2=4/5時(shí)，判定流場(chǎng)為紊流狀態(tài)，采用紊流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值處于kl到k2之間時(shí)，流場(chǎng)處于層紊流之間的過渡狀態(tài)，采用過渡狀態(tài)流量修正模型，從平均流速測(cè)量計(jì)算體積流量。對(duì)于“正方形弦聲道+徑聲道”五聲道布置而言，kl取值0.5，k2取值0.84。層流流量修正模型與紊流流量修正模型通過流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)事先獲得。
權(quán)利要求
1.一種多聲道超聲波流量測(cè)量方法，其特征在于，該方法的步驟如下: (1)在聲道測(cè)量區(qū)域的前端布置一個(gè)壓力傳感器，壓力傳感器與各聲道的軸向中心位置的距離相等； (2)在管段上安裝個(gè)數(shù)為聲道數(shù)2倍的換能器，其中每?jī)蓚€(gè)換能器的連線構(gòu)成一個(gè)聲道，且聲道與管段的軸線呈15°； (3)各換能器所對(duì)應(yīng)的聲道分為弦向聲道和徑向聲道，即有一條徑向聲道以及至少三條弦向聲道，各弦向聲道按其聲道數(shù)目在軸向截面上的投影為正多邊形； (4)根據(jù)壓力傳感器測(cè)量結(jié)果，對(duì)各個(gè)聲道之間的測(cè)量時(shí)間間隔進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，每條弦聲道進(jìn)行流量測(cè)量的同時(shí)，信號(hào)處理模塊讀取壓力傳感器數(shù)據(jù)，計(jì)算所有弦聲道測(cè)量時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的壓力傳感器測(cè)量結(jié)果方差；若壓力傳感器測(cè)量結(jié)果方差小于設(shè)定值A(chǔ)0，則認(rèn)為各弦聲道測(cè)量結(jié)果有效；若壓力傳感器測(cè)量結(jié)果方差大于設(shè)定值A(chǔ)0，則認(rèn)為各弦聲道測(cè)量結(jié)果無(wú)效，減小各聲道之間的測(cè)量時(shí)間間隔進(jìn)行再次測(cè)量，直至壓力傳感器測(cè)量結(jié)果方差小于設(shè)定值A(chǔ)0，則此時(shí)的各弦向流速測(cè)量結(jié)果有效； (5)將所有弦聲道所測(cè)得的流速進(jìn)行平均，作為平均流速測(cè)量結(jié)果，計(jì)算平均流速測(cè)量結(jié)果與徑向聲道所測(cè)得的流速數(shù)值之間的比值，通過該比值來(lái)判斷流場(chǎng)所處的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多聲道超聲波流量測(cè)量方法，其特征在于:所述正多邊形為正三角形弦聲道時(shí)，對(duì)于正三角形弦聲道+徑聲道的四聲道布置而言:比值小于kl=3/4時(shí)，判定流場(chǎng)為層流狀態(tài)，采用層流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值大于k2=4/5時(shí)，判定流場(chǎng)為紊流狀態(tài)，采用紊流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值處于kl到k2之間時(shí)，流場(chǎng)處于層紊流之間的過渡狀態(tài)，采用過渡狀態(tài)流量修正模型，從平均流速測(cè)量計(jì)算體積流量；層流流量修正模型與紊流流量修正模型通過流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)事先獲得。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多聲道超聲波流量測(cè)量方法，其特征在于:所述正多邊形為正方形弦聲道時(shí)，對(duì)于正方形弦聲道+徑聲道的五聲道布置而言:比值小于kl=0.5時(shí)，判定流場(chǎng)為層流狀態(tài)，采用層流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值大于k2=0.84時(shí)，判定流場(chǎng)為紊流狀態(tài)，采用紊流流量修正模型，從平均流速測(cè)量結(jié)果計(jì)算體積流量；比值處于kl到k2之間時(shí)，流場(chǎng)處于層紊流之間的過渡狀態(tài)，采用過渡狀態(tài)流量修正模型，從平均流速測(cè)量計(jì)算體積流量；層流流量修正模型與紊流流量修正模型通過流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)事先獲得。
4.如權(quán)利要求1所述方法的一種多聲道超聲波流量測(cè)量裝置，其特征在于: 在管段上等分空間布置安裝個(gè)數(shù)為聲道數(shù)2倍的換能器，其中每?jī)蓚€(gè)換能器的連線構(gòu)成一條聲道，且其聲道與管段的軸線呈15° 75。;在聲道測(cè)量區(qū)域的前端布置一個(gè)壓力傳感器，壓力傳感器與各聲道的軸向中心位置的距離相等；各換能器所對(duì)應(yīng)的聲道分為弦向聲道和徑向聲道，即由一條徑向聲道和三條弦向聲道構(gòu)成，各弦向聲道按其聲道數(shù)在軸向截面上的投影為正三角形，徑向聲道與正三角形的底邊平行；或由一條徑向聲道和四條弦向聲道構(gòu)成，各弦向聲道按其聲道數(shù)目在軸向截面上的投影為正方形，徑向聲道與正方形的一邊平行。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多聲道超聲波流量測(cè)量方法及裝置。在管段上安裝個(gè)數(shù)為聲道數(shù)2倍的換能器，換能器兩兩連線分別對(duì)應(yīng)成一條聲道，聲道與管段的軸線呈15°~75°；在管段前端布置壓力傳感器，它與各聲道的軸向中心位置的距離相等；各換能器所對(duì)應(yīng)的聲道分為弦向聲道和徑向聲道，三條及三條以上弦向聲道在軸向截面上的投影為正多邊形。根據(jù)壓力傳感器對(duì)流場(chǎng)壓力狀況的實(shí)時(shí)檢測(cè)，由一個(gè)周期內(nèi)流場(chǎng)的壓力方差值與初始值作比較，進(jìn)而增加或減小聲道測(cè)量的時(shí)間間隔，實(shí)現(xiàn)多聲道的測(cè)量時(shí)間隔的實(shí)時(shí)調(diào)整，特別適用于流場(chǎng)激變的場(chǎng)合。各聲道中同時(shí)存在徑向聲道與弦向聲道，將所測(cè)得的兩種速度做比，即可以判斷當(dāng)前的流場(chǎng)狀態(tài)是處于層流或是紊流。
文檔編號(hào)G01F1/66GK103196504SQ201310092128
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月21日
發(fā)明者傅新, 陳煒剛, 胡亮, 黎裕熙, 王利軍 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)