本發(fā)明涉及流量監(jiān)測領(lǐng)域，具體而言，涉及一種插入式超聲波流量計、流量測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

隨著水資源的日漸潰乏，以及節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)的日益提高，水的精確計量和供水給水的系統(tǒng)高效化管理，已成為當(dāng)今水行業(yè)的急迫任務(wù)之一。據(jù)統(tǒng)計一般城市平均漏水損失在20-30％左右。這是巨大的資源和能源的損失。為了減少這種損失就需要在輸水管線上加裝流量計，對管網(wǎng)流量和壓力進(jìn)行實時在線監(jiān)測。但是，由于大部分管網(wǎng)已經(jīng)鋪設(shè)并運營多年，安裝管段式流量計或水表需要停水，同時還需要切斷現(xiàn)有管段，工程費用較高，因此管段式流量計或水表在實際應(yīng)用場合受限。

近年來，dma分區(qū)計量方法在城市漏水檢測中受到普遍重視。但是，在實施中，人們發(fā)現(xiàn)，隨著管道尺寸的增大，所需管段式流量計或水表的成本也迅速攀升，這就使得城市供排水公司不得不減少表的安裝數(shù)量。這就等于是擴大了漏水檢測的分區(qū)范圍，從而降低了漏水檢測的效率和精準(zhǔn)性。

插入式超聲流量計無需切斷現(xiàn)有管道，也無需停水，可以帶壓安裝，其施工方便、快速。并且，其成本隨管道尺寸變化不大，因此受到廣泛關(guān)注。

現(xiàn)有的插入式流量計主要有機械式、電磁式和超聲波式。插入式機械流量計，是指把傳統(tǒng)的機械式流速儀如旋漿流速儀、渦輪流速儀等，用插入的方式安裝在管道內(nèi)。這類流量計有機械式流量計的共同弱點：易磨損、易堵塞或卡死，始動流量高，精度低等。因此實際應(yīng)用中局限很大，難以用于精確計量及管網(wǎng)漏水檢測。

插入電磁流量計無轉(zhuǎn)動部件，維護成本低還可以電池供電。但是，它易受電磁環(huán)境及介質(zhì)導(dǎo)電率的影響，另外由于其低流速測量不夠理想，再加上成本高，因此只有少量使用。

插入超聲波流量計具有無轉(zhuǎn)動部件，維護成本低的優(yōu)點。它通常使用一對換能器。其換能器安裝在管道兩側(cè)、面對面或者在管道同側(cè)相距一定距離。換能器通常與管道內(nèi)壁齊平或在管內(nèi)壁附近。因此，在測量時聲波信號需要穿過較長距離，比如一倍到二倍管徑，聲衰減較大，這就要求較強的發(fā)射功率，較復(fù)雜的弱信號檢測和處理計算，于是，系統(tǒng)功耗一般較大，難以實現(xiàn)電池供電。城市管網(wǎng)在需要安裝流量計的節(jié)點處，常常沒有電源。如果流量計不是電池供電，就無法使用。

另外，由于接收信號里的噪聲較強，插入超聲波流量計測量低流速較困難，無法用于漏水檢測。

再者，在安裝過程中，需要根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)傳感器相對距離，以便使得接收信號強度達(dá)到最佳。因此，系統(tǒng)的零點無法準(zhǔn)確地確定，影響測量結(jié)果。

綜上所述，目前還沒有一種較好的插入式流量計，能夠既容易安裝又能穩(wěn)定可靠地工作，既維護成本低又價格適中，同時還能電池供電以及檢測低流速。特別是后兩者對實際應(yīng)用有很重要的意義。由于輸水管線大部份地方無法或不容易取到市電，流量計的供電成為特別重要的問題。另一方面，漏水在早期都屬于暗漏，其流速較小，但因為輸管網(wǎng)的管徑都較大，相應(yīng)漏水的水量確不小，這樣，流量計的低流速性能就對漏水檢測很關(guān)鍵。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種插入式超聲波流量計、流量測量系統(tǒng)及方法，其能夠有效改善上述問題。

本發(fā)明的實施例是這樣實現(xiàn)的：

第一方面，本發(fā)明實施例提供了一種插入式超聲波流量計，應(yīng)用于管道，所述插入式超聲波流量計包括主插桿，所述主插桿插入所述管道內(nèi)的一端具有間隔對稱設(shè)置的第一分支部和第二分支部，所述第一分支部和所述第二分支部分別設(shè)置在所述管道的上游和下游，所述第一分支部上設(shè)置有第一超聲波換能器，所述第二分支部上設(shè)置有與所述第一超聲波換能器的位置對應(yīng)的第二超聲波換能器。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述第一分支部在所述管道內(nèi)的不同高度上還設(shè)置有多個超聲波換能器，所述第二分支部上還設(shè)置有與所述第一分支部上的多個超聲波換能器數(shù)量相同且位置對應(yīng)的多個超聲波換能器，所述第一分支部和所述第二分支部上位置對應(yīng)的每兩個超聲波換能器構(gòu)成一個超聲波聲道，每個所述超聲波聲道所在的直線與所述管道的中心軸線平行。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述第一分支部上設(shè)置有與所述第一超聲波換能器位于不同高度的第一聲反射鏡，所述第二分支部上設(shè)置有與所述第一聲反射鏡位于同一高度的第二聲反射鏡，所述第一聲反射鏡和所述第二聲反射鏡的連線與所述管道的中心軸線位于同一平面內(nèi)，由所述第一超聲波換能器發(fā)出的超聲波信號經(jīng)所述第一聲反射鏡的反射面反射并入射到所述第二聲反射鏡的反射面上，再由所述第二聲反射鏡的反射面反射到達(dá)所述第二超聲波換能器，由所述第二超聲波換能器發(fā)出的超聲波信號經(jīng)所述第二聲反射鏡的反射面反射并入射到所述第一聲反射鏡的反射面上，再由所述第一聲反射鏡的反射面反射到達(dá)所述第一超聲波換能器。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述第一分支部和所述第二分支部的不同高度處還設(shè)置有多組超聲波換能器與聲反射鏡結(jié)構(gòu)，每組所述超聲波換能器與聲反射鏡結(jié)構(gòu)中，由一個超聲波換能器發(fā)出的超聲波信號經(jīng)過兩個聲反射鏡到達(dá)與其對應(yīng)的另一個超聲波換能器。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述主插桿通過鏈接法蘭固定安裝在所述管道上。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述主插桿上設(shè)置有軸向指示線，所述軸向指示線與所述管道的中心軸線平行。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述主插桿上設(shè)置有刻度或卡槽，以控制所述主插桿在所述管道內(nèi)的插入深度。

第二方面，本發(fā)明實施例提供了一種流量測量系統(tǒng)，其包括如上所述的插入式超聲波流量計、時差測量單元、參考時鐘單元、mcu微處理器、lcd/buttons顯示及按鍵單元、intf接口單元、dl外部數(shù)據(jù)存儲單元、rtc實時時鐘單元以及pmu電池管理單元，所述時差測量單元和所述mcu微處理器分別與所述插入式超聲波流量計連接，所述參考時鐘單元和所述mcu微處理器分別與所述時差測量單元連接，所述lcd/buttons顯示及按鍵單元、所述intf接口單元、所述dl外部數(shù)據(jù)存儲單元、所述rtc實時時鐘單元以及所述pmu電池管理單元分別與所述mcu微處理器連接，所述時差測量單元的傳感器接入端還設(shè)置有多聲道轉(zhuǎn)換開關(guān)。

在本發(fā)明較佳的實施例中，所述流量測量系統(tǒng)還包括溫度傳感器、壓力傳感器、溫度測量單元tmp和壓力測量單元p，所述溫度傳感器設(shè)置于所述插入式超聲波流量計的主插桿上，所述溫度測量單元tmp和所述時差測量單元連接，所述壓力傳感器設(shè)置于所述插入式超聲波流量計的主插桿上，所述壓力測量單元p和所述mcu微處理器連接。

第三方面，本發(fā)明實施例還提供了一種流量測量方法，應(yīng)用于如上所述的流量測量系統(tǒng)，所述方法包括：獲取超聲波信號從上游到下游的傳播時間tdn以及超聲波信號從下游到上游的傳播時間tup；獲取tdn和tup之間的傳播時間差dt；獲取超聲波信號從上游到下游或超聲波信號從下游到上游的傳播路徑長度l，并計算換能器處的點流速v＝l/(tup*tdn)*dt，管道斷面平均流速va＝ki*kp*v，管道流量q＝π*r²*va，其中，kp為流速剖面系數(shù)，kc為儀器標(biāo)定系數(shù)，r為管道內(nèi)半徑。

本發(fā)明實施例提供的插入式超聲波流量計、流量測量系統(tǒng)及方法，通過將主插桿的一端插入管道內(nèi)進(jìn)行測量，在管道的上游和下游間隔對稱設(shè)置第一分支部和第二分支部，并在所述第一分支部和所述第二分支部上對應(yīng)設(shè)置第一超聲波換能器和第二超聲波換能器，可構(gòu)成一個流速測量超聲波聲道；另外，第一超聲波換能器和第二超聲波換能器的位置對應(yīng)，使得聲波信號的傳輸質(zhì)量更高，便于精確測量管內(nèi)某一位置的點流速。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的插入式超聲波流量計的信號接收能力更強，信道噪聲更小，能夠使用電池供電，實現(xiàn)了對管道水流低流速及流量的精確測量，且結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，易于安裝。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為本發(fā)明第一實施例提供的插入式超聲波流量計的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明第一實施例提供的流量測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明第二實施例提供的插入式超聲波流量計的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明第三實施例提供的插入式超聲波流量計的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明第三實施例提供的加入計量探頭組件的插入式超聲波流量計第一視角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明第三實施例提供的加入計量探頭組件的插入式超聲波流量計第二視角的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明第四實施例提供的流量測量方法的流程框圖。

圖標(biāo)：100-主插桿；120-計量表頭；140-計量探頭組件；200-第一分支部；220-第一超聲波換能器；240-第一聲反射鏡；300-第二分支部；320-第二超聲波換能器；340-第二聲反射鏡；400-管道；420-鏈接法蘭；500-溫度傳感器；600-壓力傳感器；700-時差測量單元。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。

因此，以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，或者是該發(fā)明產(chǎn)品使用時慣常擺放的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區(qū)分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，術(shù)語“水平”、“豎直”、“懸垂”等術(shù)語并不表示要求部件絕對水平或懸垂，而是可以稍微傾斜。如“水平”僅僅是指其方向相對“豎直”而言更加水平，并不是表示該結(jié)構(gòu)一定要完全水平，而是可以稍微傾斜。

在本發(fā)明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

此外，“輸入”、“輸出”、“反饋”、“形成”等術(shù)語應(yīng)理解為是描述一種光學(xué)、電學(xué)變化或光學(xué)、電學(xué)處理。如“形成”僅僅是指光信號或電信號通過該元件、儀器或裝置之后發(fā)生了光學(xué)上或電學(xué)上的變化，使得所述光信號或所述電信號受到處理，進(jìn)而獲得實施技術(shù)方案或解決技術(shù)問題所需要的信號。

在本發(fā)明的具體實施例附圖中，為了更好、更清楚的描述插入式超聲波流量計及流量測量系統(tǒng)中各元件的工作原理，表現(xiàn)所述裝置中各部分的連接關(guān)系，只是明顯區(qū)分了各元件之間的相對位置關(guān)系，并不能構(gòu)成對元件或結(jié)構(gòu)內(nèi)的光路方向、連接順序及各部分結(jié)構(gòu)大小、尺寸、形狀的限定。

第一實施例

請參照圖1，本實施例提供了一種插入式超聲波流量計，應(yīng)用于管道400。所述插入式超聲波流量計包括主插桿100和計量表頭120。所述主插桿100在所述管道400外側(cè)的一端與所述計量表頭120連接，所述主插桿100插入所述管道400內(nèi)的一端具有間隔對稱設(shè)置的第一分支部200和第二分支部300，所述第一分支部200和所述第二分支部300分別設(shè)置在所述管道400的上游和下游，所述第一分支部200上設(shè)置有第一超聲波換能器220，所述第二分支部300上設(shè)置有與所述第一超聲波換能器220的位置對應(yīng)的第二超聲波換能器320。本實施例中，所述第一超聲波換能器220和所述第二超聲波換能器320的連線與所述管道400的中心軸線平行。

本實施例中，所述主插桿100、第一分支部200和第二分支部300之間的相對距離及位置在出廠前就已經(jīng)固定而形成一個剛性連接體，例如一體成型，從而保證了第一超聲波換能器220和第二超聲波換能器320之間的相對位置不會因為安裝而改變，其整體結(jié)構(gòu)的測量性能和儀器系數(shù)也可以在出廠前標(biāo)定，也不會因為安裝時的誤差而改變?？梢岳斫獾氖?，所述主插桿100、第一分支部200和第二分支部300之間的相對距離也可以是能夠調(diào)節(jié)的，例如通過設(shè)置伸縮結(jié)構(gòu)以改變第一分支部200與第二分支部300之間的相對距離，或者改變第一分支部200、第二分支部300與主插桿100之間的相對距離以改變兩個分支部在管道中的插入深度。

本實施例中，所述主插桿100可以通過帶壓插入的安裝方式，通過鏈接法蘭420固定安裝在管道400上，并使所述第一分支部200和第二分支部300間隔一定距離設(shè)置在管道400的上游和下游?？梢岳斫獾氖?，所述管道400中流體運動的方向是從管道400的上游流向下游，所述管道400的上游和下游可以不是管道400的兩端，即可以是管道400中任意沿流體運動方向分布的兩個點或截面。

本實施例中，所述主插桿100、鏈接法蘭420與管道400的各連接處均采用防水密封措施。

本實施例中，所述第一超聲波換能器220和第二超聲波換能器320為一種能夠利用壓電效應(yīng)將高頻電能轉(zhuǎn)化為機械能的元件，其主要結(jié)構(gòu)為壓電陶瓷。通過安裝在第一分支部200和第二分支部300中的輸電線路向第一超聲波換能器220或第二超聲波換能器320輸入一定電壓，即可使第一超聲波換能器220或第二超聲波換能器320朝壓電陶瓷圓盤面的振動方向發(fā)出超聲波。

本實施例中，由于所述第一超聲波換能器220和第二超聲波換能器320為相對設(shè)置，可以理解的是，由第一超聲波換能器220發(fā)出的超聲波信號由第二超聲波換能器320接收；相對的，由第二超聲波換能器320發(fā)出的超聲波信號則由第一超聲波換能器220接收。超聲波信號的發(fā)射與接收由這對換能器交替執(zhí)行，兩個換能器之間形成一個相互匹配的超聲波聲道，從而可以完成從上游到下游，以及從下游到上游的傳播時間及時間差的精確測量。

本實施例中，所述第一超聲波換能器220和第二超聲波換能器320可以設(shè)置在管道400的中心軸線上，也可以設(shè)置在離管道400的中心軸線一定距離但與中心軸線平行的管線上。可以理解的是，為了達(dá)到最佳的超聲波測量效果，需要保證所述第一超聲波換能器220和第二超聲波換能器320之間的連線與所述管道400的中心軸線平行，此時兩個換能器之間的超聲波聲道也與管道400的中心軸線平行，不難理解，此時超聲波聲道中超聲波信號傳輸?shù)姆较蚺c管道400內(nèi)流體運動的方向在同一直線上，此時的傳輸噪聲最小，信號質(zhì)量最高，測量獲得的數(shù)據(jù)就更準(zhǔn)確，為實現(xiàn)水流低流速及流量的精確測量提供了保障。

特別的，本實施例中的第一超聲波換能器220和第二超聲波換能器320也可以相對設(shè)置在管道400內(nèi)不同的高度上，例如一上一下、左右錯開傾斜設(shè)置，此時可以將該傾斜的超聲波聲道在管道400的中心軸線或某一條與中心軸線平行的管線上的投影作為實際的超聲波聲道，并將測量獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的換算，以獲得兩個換能器所在的兩個管道400橫截面內(nèi)的水流流速及流量。

本實施例中，為了幫助主插桿100在安裝到管道400時定位，使得管道400的中心軸線處于由第一分支部200和第二分支部300構(gòu)成的平面上，所述主插桿100上可以設(shè)置軸向指示線，所述軸向指示線與所述管道400的中心軸線平行。

本實施例中，為了保證第一分支部200和第二分支部300上的第一超聲波換能器220和第二超聲波換能器320能夠準(zhǔn)確的面對面設(shè)置，第一分支部200和第二分支部300在管道400中的插入深度要相同，此時可以通過在主插桿100上預(yù)先設(shè)置的刻度或卡槽，來控制所述主插桿100在所述管道400內(nèi)的插入深度。同時，主插桿100的方向也要進(jìn)行嚴(yán)格控制，需使所述主插桿100和所述管道400的中心軸線盡量垂直，這里同樣可以通過在主插桿100上設(shè)置卡槽實現(xiàn)。

本實施例中，所述主插桿100在管道400內(nèi)部的位置上還可以設(shè)置溫度傳感器500和壓力傳感器600，用于在獲取超聲波信號傳輸時差的同時獲取測量環(huán)境內(nèi)的水溫和水壓數(shù)據(jù)，以進(jìn)行相應(yīng)的誤差補償計算。

請參照圖2，本實施例還提供了一種流量測量系統(tǒng)，其包括如上所述的插入式超聲波流量計、時差測量單元700、參考時鐘單元、mcu微處理器、lcd/buttons顯示及按鍵單元、intf接口單元、dl外部數(shù)據(jù)存儲單元、rtc實時時鐘單元以及pmu電池管理單元。所述時差測量單元700和所述mcu微處理器分別與所述插入式超聲波流量計連接，所述參考時鐘單元和所述mcu微處理器分別與所述時差測量單元700連接，所述lcd/buttons顯示及按鍵單元、所述intf接口單元、所述dl外部數(shù)據(jù)存儲單元、所述rtc實時時鐘單元以及所述pmu電池管理單元分別與所述mcu微處理器連接。本實施例中，上述電路模塊均可以設(shè)置在計量表頭120中。

本實施例中，當(dāng)所述插入式超聲波流量計的主插桿100上還設(shè)置有溫度傳感器500和壓力傳感器600時，所述流量測量系統(tǒng)中還可以相應(yīng)的設(shè)置溫度測量單元tmp和壓力測量單元p。所述溫度測量單元tmp和所述時差測量單元700連接，所述壓力測量單元p和所述mcu微處理器連接。

通常而言，所述溫度測量單元tmp可以在所述時差測量單元700內(nèi)實現(xiàn)，壓力測量單元可以掛在mcu的a/d轉(zhuǎn)換口。

本實施例中，所述時差測量單元700，可以選用基于tof單次傳播時間測量方法的芯片，如acam的gp21/20/30，maxim的max35101等；也可以選用基于聲循環(huán)方式的產(chǎn)品，如d-flow的方案；還可以根據(jù)圖2中的接線框圖搭建自己的方案。所述intf接口單元可以是無線接口、rs485接口、mbus接口、脈沖接口等。

本實施例中，所述pmu電池管理單元能夠把電池電壓轉(zhuǎn)換成各種需要的電壓，除此之外，還負(fù)責(zé)管理各種功耗模式，以使系統(tǒng)的功耗最小，增加電池的使用壽命。

本實施例中，所述參考時鐘單元為時差測量單元700提供了精確而穩(wěn)定的參考頻率，保證了時差測量的精度。所述rtc實時時鐘單元為系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)時鐘和日歷，該日歷對于數(shù)據(jù)記錄是重要的。

本實施例中，所述dl數(shù)據(jù)存儲單元(可選用e²prom，電可擦可編程只讀存儲器)通常用來存儲各種流量及狀態(tài)信息，包括日累積、日最大、最小流量、月累計、報警信息等。這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)斷電的情況下可以在e²prom里保持幾十年。特別的，所述dl數(shù)據(jù)存儲單元可以用于計量收費等應(yīng)用。

本實施例中，所述溫度傳感器500可用于獲取水溫，以補償水溫對測量精度的影響。所述壓力傳感器600可用于獲取管道400內(nèi)該位置的壓力信息，該壓力信息對管網(wǎng)壓力平衡、防止爆管、降低漏水率、節(jié)省水泵耗能，均具有重要意義。

本實施例提供的插入式超聲波流量計，采用了獨特的一體化的插入式傳感器，其信號接收能力強，安裝方便且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，材料價格和維護成本低。流量測量系統(tǒng)則通過pmu電池管理單元為整個系統(tǒng)實現(xiàn)了電池供電，又通過低功耗高精度的大規(guī)模集成電路制成的時差測量單元700實現(xiàn)了對管道400水流低流速及流量的精確測量，有效的解決了城市輸水管網(wǎng)工程中供電和低流速檢測的難題，為實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的供水系統(tǒng)管理提供了可能。

第二實施例

請參照圖3，本實施例提供了一種插入式超聲波流量計，和本發(fā)明第一實施例最大的不同在于，本實施例中，插入式超聲波流量計中的第一分支部200在所述管道400內(nèi)的不同高度上還設(shè)置有多個超聲波換能器，所述第二分支部300上還設(shè)置有與所述第一分支部200上的多個超聲波換能器數(shù)量相同且位置對應(yīng)的多個超聲波換能器。所述第一分支部200和第二分支部300上位置對應(yīng)的每兩個超聲波換能器之間構(gòu)成一個超聲波聲道，每個超聲波聲道所在的直線均與所述管道400的中心軸線平行。

本實施例中，為了對應(yīng)多聲道的插入式超聲波流量計，流量測量系統(tǒng)中的時差測量單元700的傳感器接入端還可以設(shè)置多聲道轉(zhuǎn)換開關(guān)，通過該轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以對多聲道傳感器中的每個超聲波聲道進(jìn)行單獨的測量。

相對于本發(fā)明第一實施例，本實施例通過在插入式傳感器的不同高度處加入多對換能器，以形成多個超聲波聲道，而每個超聲波聲道都進(jìn)行單獨的超聲波傳播時間差測量，能夠獲取管道400內(nèi)不同高度處的多組數(shù)據(jù)，使最后計算獲得的流速及流量的結(jié)果更加準(zhǔn)確。

第三實施例

請參照圖4，本實施例提供了一種插入式超聲波流量計，和本發(fā)明第一實施例最大的不同在于，本實施例中，插入式超聲波流量計中的第一分支部200上設(shè)置有與所述第一超聲波換能器220位于不同高度的第一聲反射鏡240，相對的，第二分支部300上還設(shè)置有與第一分支部200上的第一聲反射鏡240位于同一高度的第二聲反射鏡340，所述第一聲反射鏡240和第二聲反射鏡340的連線與管道400的中心軸線位于同一平面內(nèi)。

優(yōu)選的，本實施例中，第一超聲波換能器220和第二超聲波換能器320可以設(shè)置在同一高度，即第一超聲波換能器220和第二超聲波換能器320的連線與所述管道400的中心軸線是平行的，此時，由第一超聲波換能器220、第一聲反射鏡240、第二聲反射鏡340和第二超聲波換能器320構(gòu)成的平面剛好經(jīng)過管道400的中心軸線。優(yōu)選的，兩個聲反射鏡的反射面設(shè)置的方向與管道400的中心軸線呈45°角；兩個聲反射鏡之間的連線剛好與管道400的中心軸線重合，即兩個聲反射鏡均設(shè)置在管道400的中心軸線上。

可以理解的是，其他的實施例中，由第一超聲波換能器220、第一聲反射鏡240、第二聲反射鏡340和第二超聲波換能器320構(gòu)成的平面也可以與管道400的中心軸線呈小于或等于45°夾角的方向設(shè)置，此時將該平面在管道400的中心軸線所在的平面投影，再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)換算即可。

本實施例中，在進(jìn)行流速測量時，由第一超聲波換能器220發(fā)出的超聲波信號經(jīng)第一聲反射鏡240的反射面反射并入射到第二聲反射鏡340的反射面上，再由第二聲反射鏡340的反射面反射到達(dá)第二超聲波換能器320的信號接收面上；相對的，由第二超聲波換能器320發(fā)出的超聲波信號經(jīng)第二聲反射鏡340的反射面反射并入射到第一聲反射鏡240的反射面上，再由第一聲反射鏡240的反射面反射到達(dá)第一超聲波換能器220的信號接收面上。

請參照圖5和圖6，本實施例中，插入式超聲波流量計的第一分支部200和第二分支部300的不同高度處，還可以設(shè)置多組與上述結(jié)構(gòu)類似的超聲波換能器與聲反射鏡結(jié)構(gòu)，每組超聲波換能器與聲反射鏡結(jié)構(gòu)中，由一個超聲波換能器發(fā)出的超聲波信號經(jīng)過兩個聲反射鏡到達(dá)與其對應(yīng)的另一個超聲波換能器。此時，每一組超聲波換能器與聲反射鏡結(jié)構(gòu)都可以整合為一個計量探頭組件140進(jìn)行設(shè)置，使結(jié)構(gòu)更加精簡和穩(wěn)定。在圖5和圖6所示的結(jié)構(gòu)中，每個計量探頭組件140的兩端都可看做是兩個分支部，在主插桿100的不同高度處具有多組分支部。

本實施例提供的插入式超聲波流量計，通過測量聲波從位于管道400上游的換能器依次經(jīng)過兩個聲反射鏡再到下游換能器的傳播時間，以及從位于管道400下游的換能器經(jīng)過兩個聲反射鏡再到上游換能器的傳播時間，可以計算出聲波沿順流和逆流的傳播時間差，即可進(jìn)一波計算出管道400內(nèi)該位置處的流速及管內(nèi)平均流量。

第四實施例

請參照圖7，本實施例提供了一種流量測量方法，應(yīng)用于上述幾個實施例中的流量測量系統(tǒng)。所述方法包括：

步驟s800：獲取超聲波信號從上游到下游的傳播時間tdn以及超聲波信號從下游到上游的傳播時間tup；

步驟s810：獲取tdn和tup之間的傳播時間差dt；

步驟s820：獲取超聲波信號從上游到下游或超聲波信號從下游到上游的傳播路徑長度l，并計算

換能器處的點流速v＝l/(tup*tdn)*dt，

管道斷面平均流速va＝ki*kp*v，

管道流量q＝π*r²*va，

其中，kp為流速剖面系數(shù)，kc為儀器標(biāo)定系數(shù)，r為管道內(nèi)半徑。

本實施例提供的流量測量方法，根據(jù)所測的時間差以及換能器之間的相對距離，即可計算出流體在換能器所處位置的點流速，再根據(jù)流體力學(xué)原理，即可根據(jù)該點流速計算出管道斷面的平均流速及管道流量，實現(xiàn)對流速及流量的精確測量。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的插入式超聲波流量計、流量測量系統(tǒng)及方法，通過將主插桿的一端插入管道內(nèi)進(jìn)行測量，在管道的上游和下游間隔對稱設(shè)置第一分支部和第二分支部，并在所述第一分支部和所述第二分支部上對應(yīng)設(shè)置第一超聲波換能器和第二超聲波換能器，可構(gòu)成一個流速測量超聲波聲道；另外，第一超聲波換能器和第二超聲波換能器的位置對應(yīng)，使得聲波信號的傳輸質(zhì)量更高，便于精確測量管內(nèi)某一位置的點流速。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的插入式超聲波流量計的信號接收能力更強，信道噪聲更小，能夠使用電池供電，實現(xiàn)了對管道水流低流速及流量的精確測量，且結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，易于安裝。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。