CN101726336A

CN101726336A - 一种超声波流量计

Info

Publication number: CN101726336A
Application number: CN200910216698A
Authority: CN
Inventors: 廖斌; 李俊国; 蔡波
Original assignee: Southwest University of Science and Technology
Current assignee: Southwest University of Science and Technology
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2010-06-09

Abstract

本发明公开了一种超声波流量计，测量模块控制并使两个具有发射和接收超声波功能的超声传感器发出超声波穿过流体，获取流体流速传感信息；两个超声传感器彼此接收到对方发送的包含流体流速传感信息的超声波并转换为电信号，送入测量模块进行计算，得到流体流量信息。流入管以与水平坐标轴负向小于90度连接接入到直管上，流出管以与水平坐标轴正向小于90度连接接入到直管上；测量管道接入需要测量流量的流体管路中，两个超声传感器分别位于直管的两端。在本发明中，增加了测量管道接入流体管路中，超声传感器位于测量管道的直管两端，增大超声波传播的有效路径的长度，达到提升了有效信号的强度，从而增加测量精度的目的，特别适合于小流量、低流速流体的测量。

Description

一种超声波流量计

技术领域

本发明涉及超声测试领域，具体来讲，涉及一种对流体流量采用超声传感器进行测量的超声波流量计。

背景技术

超声波在流动的流体中传播时就载上了流体流速的信息，因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量，完成流体流量的测试。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。

超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪器，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可以对敞开的水流进行测量。使用超声波流量计不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行，因而是一种理想的节能型流量测试仪器。

另外，超声波流量计的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。此外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一套超声波流量计可适应于多种管径测量和多种流量范围测量，超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点，因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。

超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m/s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是10^-3数量级.若要求测量流速的准确度为1％，则对声速的测量准确度需为10^-5～10^-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。

当采用超声传感器对测量流体流速时，流体在流路中的速度和方向将导致超声信号在流体的传播中出现信号差异，这种差异一方面取决于流体特性和超声传播的客观物理规律，另一方面也取决于超声传播的具体测量结构所导致的有效传播路径。

有效传播路径取决于超声传感器和流体管道的配合，超声波在流体传播，流体流速影响超声波传播时间的有效的路径越长，因为流速而带来的传播差异就越明显，超声波传播用于大流量、大管径系统测量的精度高的主要原因也在于这一点，但是，目前尤其是小管径、小流量测量的问题，成为超声流速、流量测量的一个难点。

目前通常使用的超声传感器安装方式包括：W型、V型、Z型、U型。V型和W型系指超声波信号与管壁成一定夹角，信号耦合进入流体后分别经过一次和两次反射，被另外的超声传感器接收，超声传感器对彼此担任发送和接受的角色，类似与通信系统的双工概念。

而当两个超声传感器在流体流动的管壁直接相对，成为Z型，当两个超声传感器垂直与流体管壁并相对时，作为特例也称直对型。

上面的几种超声传感器安装方式都是改动流体管路，其有效路径为管径所约束，当管径小并且流速低的情况下，测量会发生困难。

而U型是指在管道内通过两个相对的45度角台面，将垂直入射的超声波转换到水平方向并反射到接收端。这个方案可以延长超声波传播的有效路径，但是在管道内部加入的结构，包括两个反射平台，通常还会有挡板等附属结构，对于流体流路的影响比较大，例如杂质存在的场合，系统可能失效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种对流体流路影响小，流量测量精度高的超声波流量计。

为实现上述目的，本发明的超声波流量计，包括：

两个具有发射和接收超声波功能的超声传感器，用于发射超声波穿过流体，获取流体流速传感信息；

一测量模块，分别与两个超声传感器相连接，用于控制并使两个超声传感器发出超声波；

两个超声传感器彼此接收到对方发送的包含流体流速传感信息的超声波并转换为电信号，送入测量模块进行计算，得到流体流量信息；

其特征在于，还包括一测量管道，测量管道包括一段直管、一段流入管和一段流出管，以流体在直管中流动的方向作为水平坐标轴正向，以流入管和流出管与直管的接入点之间的中点为原点，流入管以与水平坐标轴负向小于90度连接接入到直管上，流出管以与水平坐标轴正向小于90度连接接入到直管上；

测量管道接入需要测量流量的流体管路中，两个超声传感器分别位于直管的两端。

本发明的发明目的是这样实现的：

在本发明中，增加了测量管道接入流体管路中，超声传感器位于测量管道的直管两端，这样，通过改变流体流路的方式来增大超声波传播的有效路径的长度，达到提升了有效信号的强度，从而增加测量精度的目的，特别适合于小流量、低流速流体的测量。

本发明以增加流路复杂程度为代价，并部分增加了与全直管流路相应的管路的流体阻尼，但是在测量管道内部没有加入任何测量装置，相对于U型安装超声传感器进行流量测量而言，对流体流路的影响大大减小。

本发明的实施过程中，可以根据实际需求的信号噪声比确定流体流经直管，用于超声波测量的有效路径的长度。在测量方式上，可以采用时差、频差、相差等方法进行。

附图说明

图1是本发明超声波流量计的一种具体实施方式原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这儿将被忽略。

实施例

图1是本发明超声波流量计的一种具体实施方式原理图。

在本实施例中，如图1所示，本发明的超声波流量计包括：

两个具有发射和接收超声波功能的超声传感器101、102，用于发射超声波穿过流体，获取流体流速传感信息；

一测量模块2，分别与两个超声传感器101、102相连接，用于控制，并使两个超声传感器101、102发出超声波；

测量管道3，测量管道3包括一段直管301、一段流入管302和一段流出管303，以流体在直管302中流动的方向作为水平坐标轴正向，以流入管302和流出管303与直管的接入点A、B之间的中点C为原点，流入管302以与水平坐标轴负向45度连接接入到直管301上，流出管303以与水平坐标轴正向45度连接接入到直管301上。

测量管道3接入需要测量流量的流体管路中，两个超声传感器101、102分别位于直管301的两端；两个超声传感器101、102彼此接收到对方发送的包含流体流速传感信息的超声波并转换为电信号，送入测量模块2进行计算，得到流体流量信息。

在本实施例中，测量管道3的外径为20mm，内径为18mm，流入管302和流出管303与直管的接入点A、B之间距离为15cm，超声波传播有效距离得到了增加。

在直管301内流体流速为0.05立方米每小时的情况下，以时间差方法进行测量，此时由于流速叠加造成的两个超声传感器101、102取得超声信号传播的时间差约为6纳秒。如果测量的精度要达到3％，则要求测量模块的时间分辨率约为180皮秒，可以比较容易地由时间差方法取得合理的测量精度，实现检测。

在同样的管径和流速下，如果两个超声传感器101、102采用45度v型连接，即两个超声传感器101、102安装在与水平流路管段呈45读角安装的v字型测量管路两端，v字管对呈90度夹角安装，当流路管道标称直径为20mm，实际内径为18mm，管内流速为0.05立方米每小时的情况下，以时间差方法进行测量，要求精度为3％，此时由于流速叠加造成的两个超声传感器101、102取得超声信号传播的时间差约为2.8纳秒，其3％精度要求时间分辨率小于80皮秒。考虑到信道噪声的存在和这样的测量精度要求，这样的测量是很难达到的。

在本实施例中，直管301、流入管302和流出管303的内径大小相同，并等于需要测量流量的流体管路的内径，这样测量管道3对被测流体的流速影响最小。

从本实施例我们可以看出，由于测量直管的长度可以依据具体测量对象的情况进行设计，增加了有效的超声传播距离，提高了信号和噪声的比率关系，从而提高了信号测量的精度，尤其对于小管径、小流量的测量有突出的优势。

本发明超声波流量计的实施过程中，可以根据实际需求的信号噪声比确定流体流经直管，用于超声波测量的有效路径的长度。在测量方式上，可以采用时差、频差、相差等方法进行。

另外，在具体实施过程中，可以通过常规设计方式，评估由于流入接入测量管道导致的阻尼变化，确定其需要长度以及与测量直管道的连接方式。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种超声波流量计，包括：

2.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述的流入管以与水平坐标轴负向45度连接接入到直管上，流出管以与水平坐标轴正向45度连接接入到直管上。

3.根据权利要求1所述的超声波流量计，其特征在于，所述的直管、流入管和流出管的内径大小相同，并等于需要测量流量的流体管路的内径。