CN101907472A

CN101907472A - 一种超声波流量测量装置

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Publication number: CN101907472A
Application number: CN 201010216766
Authority: CN
Inventors: 李俊国; 蔡波; 廖斌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2010-12-08

Abstract

本发明公开了一种超声波流量测量装置，包括流体管道以及在流体管道内管壁上间隔一定距离L、垂直于管壁相对安装的上下游超声波换能器，超声波换能器正对面分别安装有一反射块，上游反射块的反射面与流体流入方向成35度到43度的夹角θ_上游，下游反射块的反射面与流体流出方向成35度到43度的夹角θ_下游，且夹角θ_下游＝夹角θ_上游；间距L近似满足：L＝(r-dsinθ_上游)/tg(90°-2θ_上游)。其中，r为流体管道内径，d为反射块的反射面沿流体流动方向的中心线长度。在本发明中，反射块的反射面为35度到43度斜面，反射块反射面使得超声波传播有效距离L增长，从而测量精度提高。同时，由于反射块和超声换能器均置于管壁，流体流过面积较大，这样本发明的超声波流量测量装置即使在杂质存在的场合，也不易发生堵塞，因此，特别适合于管径小并且流速低的流体流量的测量。

Description

一种超声波流量测量装置

技术领域

本发明属于超声波测量技术领域，涉及一种超声波流量测量装置。

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。

当采用超声波对流体流速进行测量时，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流速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流量测量结构所导致的有效传播路径，即两个超声波换能器在流体管道方向上的间距。这种信号差异可表述为：

式(1)中，Δt为超声波顺流和逆流传播的时间差，V_流速速为流体流速，L是两个超声波换能器在流体管道方向上的间距，为超声波在流体中的传播速度。这样，通过测量出超声波顺流和逆流传播的时间差，就可以得到流体流速：

从式(2)我们可以看出，时间差Δ_t与间距L成正比，这样，一般地时间差Δ_t测量精度是确定的，若间距L越大，时间差Δt也越大，则流体流速V_流速测量精度越高。

目前通常使用的流量测量装置包括：W型、V型、Z型、U型。V型和W型系指超声波信号与流体管道管壁成一定夹角，信号耦合进入流体后分别经过一次和两次反射，被另外的超声波换能器接收，超声波换能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。而当两个超声波换能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。

上面的几种流量测量装置，其有效传播路径为管径所约束，当管径小并且流速低的情况下，测量会发生困难。

为了提高超声波的有效传播途径，U型流量测量装置在流体管道内通过两个相对的45度角反射面，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传播路径，但是在流体管道内部加入的反射面，如导向镜，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。

对于U型流量测量装置，如2010年01月06日授权公告的、公告号为CN100578162C、名称为“一种超声波流量测量装置”的中国发明专利说明书就公开了一种U型流量测量装置。如图1所示，该U型流量测量装置包括流量壳体1和两个相匹配的超声波换能导向组件3，其中流量壳体1与流量管道(图中未示出)连接。所述超声波换能导向组件3通过所述流量壳体1上设置的安装孔插入到所述的流量壳体1中，其中一个超声波换能导向组件3插入安装到流量壳体1的上游，另一个安装在流量壳体1的下游。超声波换能导向组件3包括超声波换能器、导向镜和支架，所述支架插入到所述安装孔中，在所述支架的上端设置有插入槽，所述超声波换能器插在该插入槽中，所述导向镜嵌入在所述支架下端的开口处，在所述支架上，与所述导向镜对应的位置设置有射流孔。上游的超声波换能器发出超声波经与流体流入方向成45度夹角的上游导向镜90度反射，沿着流体流动相同的方向，传播到流体壳体下游的超声波换能导向镜，经与流体流出方向成45度夹角的下游导向镜90度反射后，由下游的超声波换能器接收，这样得到顺流时间T+。同样方式，下游的超声波换能器发出超声波由上游的超声波换能器得到逆流时间T-。这样就得到了时间差Δ_t。

从图1我们可以看出，尽管U型流量测量装置解决了超声波有效传播距离的问题，但是由于在流量壳体1插入了超声波换能导向组件3，尤其是其下端的导向镜使得流体流路截面缩小，杂质存在的场合，易发生堵塞，造成流量测量装置的失效。

发明内容

本发明的目的在于克服现有U型超声波流量测量装置在小管径情况下易发生堵塞的技术问题，提供一种即可以提高超声波有效传播距离，又不容易发生堵塞的超声波流量测量装置。

为实现上述发明目的，本发明的超声波流量测量装置，包括流体管道以及在流体管道内管壁上间隔一定距离L、垂直于管壁相对安装的上下游超声波换能器，其特征在于，

在流体管道内上下游超声波换能器正对面分别安装有一反射块，上游反射块的反射面与流体流入方向成35度到43度的夹角θ_上游，下游反射块的反射面与流体流出方向成35度到43度的夹角θ_下游，且夹角θ_下游＝夹角θ_上游；

间距L满足：

其中，r为流体管道内径，d为反射块的反射面沿流体流动方向的中心线长度。

本发明的发明目的是这样实现的：

当上下游超声换能器、上下游反射块满足前述条件时，上游超声换能器发出的超声波垂直于管路传播，经过上游反射块的反射面反射后，沿流体流动方向斜向传播到对面的下游反射块的反射面，然后，经下游反射块的反射面的反射，垂直于管路传播到下游超声换能器接收，这样可以得到顺流时间T₊。同样，下游超声换能器发出超声波，经下游反射块的反射面反射、上游反射块的反射面反射，由上游超声换能器接收，得到逆流时间T_-。当流体管道内的流体流动时，则T_-＞T₊，时间差Δt＝T_--T₊。

在本发明中，可以通过同时调节上下游的夹角θ_上游、θ_下游来调节上下游超声波换能器的间距L，即有效传播路径的距离。夹角θ_上游、θ_下游越接近于45度，则间距L就越接近于无穷大。一般地时间差测量精度是确定的，若间距L越大，则液体流速测量精度越高。

在本发明中，安装在超声换能器对面的反射块的反射面为35度到43度斜面，反射块反射面使得超声波传播有效距离L增长，从而测量精度提高。

同时，与现有技术的U型流量测量装置相比，由于反射块和超声换能器均置于管壁，流体流过面积较大，这样本发明的超声波流量测量装置即使在杂质存在的场合，也不易发生堵塞，因此，特别适合于管径小并且流速低的流体流量的测量。另外，流体流过面积较大，流体流路变化小，压力损失小。

附图说明

图1是现有技术的U型流量测量装置一种具体实例的剖面结构图；

图2是本发明超声波流量测量装置一种具体实施方式的剖面结构图；

图3是图1所示的超声波流量测量装置的一种具体实例示意图；

图4是图3所示的超声波流量测量装置的截面结构示意图；

图5是图1所示的超声波流量测量装置的一种具体实例示意图；

图6是图5所示的超声波流量测量装置的截面结构示意图；

图7是图1所示的超声波流量测量装置的一种具体实例示意图；

图8是图7所示的超声波流量测量装置的截面结构示意图；

图9是现有技术的U型流量测量装置一种具体实例的剖面结构示意图

图10是图9所示的U型超声波流量测量装置的截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的最佳具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。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，这些描述在这里将被忽略。

实施例

在本实施例中，如图2所示，超声波流量测量装置包括流体管道100以及在流体管道100内管壁上间隔一定距离L、垂直于管壁相对安装的上下游超声波换能器201、202。同时，在流体管道100内上下游超声波换能器201、202正对面分别安装有一反射块301、302，上游反射块301的反射面A与流体流入方向成35～43度的夹角θ_上游，下游反射块302的反射面B与流体流出方向成35～45度的夹角θ_下游。

间距L近似满足：

其中，r为流体管道内径，d为反射块反射面的长度。

如图2所示，当上下游超声换能器201、202、上下游反射块301、302满足前述条件时，上游超声换能器201发出的超声波垂直于管路传播，经过上游反射块301的反射面A反射后，沿流体流动方向斜向传播到对面的下游反射块302的反射面B，然后，经下游反射块302的反射面B的反射，垂直于管路传播到下游超声换能器202接收，这样可以得到顺流时间T₊。同样，下游超声换能器202发出超声波，经下游反射块302的反射面B反射、上游反射块301的反射面A反射，由上游超声换能器201接收，得到逆流时间T_-。当流体管道100内的流体流动时，则T_-＞T₊，时间差Δt＝T_--T₊。

在本实施中，为了减小对流体流场的影响，上游反射块301的迎流面C为上游反射块的迎流面为沿流体流动方向逐步升高的斜面。

实例1

在本实例中，如图3所示，流体管道100的内径r为20mm，夹角θ_下游＝夹角θ_上游＝40°，反射面A、B在流体管道100上的投影长度为8mm，即反射块的反射面沿流体流动方向的中心线长度d为：

d＝8mm/cos40°＝10.4433mm

间距L近似满足：

在本实施中，我们可以看出，反射面A、B使得超声波传播有效距离L增长，达75.3555mm，从而测量精度提高。

在本实施中，如图4所示，由于反射块301置于管壁，其中心到对面管壁的距离为13.2872mm，可见，流体流过面积较大，这样本发明的超声波流量测量装置即使在杂质存在的场合，也不易发生堵塞。

实例2

如图5所示，在本实施中，除夹角θ_下游＝夹角θ_上游＝43°，其他参数与实例1完全相同。

反射块的反射面沿流体流动方向的中心线长度d为：

d＝8mm/cos43°＝10.9386mm

间距L近似满足：

与实例例1相比，夹角θ_上游增加了3度，但间距L增加了103.9731mm，因此，如果夹角θ_上游大于43度以后，对上下游超声换能器201、202安装位置、上下游反射块301、302的加工精度要求非常高，因此夹角θ_上游小于等于43度。

在本实施中，如图6所示，由于反射块301中心到对面管壁的距离为12.5399mm。与实施例1相比，尽管间距L增加了，但到对面管壁的距离却有一定的减小。

实例3

如图7所示，在本实施中，除夹角θ_下游＝夹角θ_上游＝35°，其他参数与实施例1完全相同。

反射块的反射面沿流体流动方向的中心线长度d为：

d＝8mm/cos35°＝9.7662mm

间距L近似满足：

与实例例1相比，夹角θ_上游减小了5度，但间距L减小到了39.5591mm，因此，如果夹角θ_上游小于35度后，超声波传播有效距离L增加不多，没有多少意义，因此夹角θ_上游需要大于等于35度。

在本实施中，如图6所示，由于反射块301中心到对面管壁的距离为14.3983mm。与实施例1相比，间距L减小了，但到对面管壁的距离却有一定的增加。

图9是现有技术的U型流量测量装置一种具体实例的剖面结构图、图10是其截面结构图。

该U型流量测量装置的流体管道内径r为20mm，反射面A、B在流体管道上的投影长度为8mm。从图9、10上我们可以看出，反射板401、402中心到管壁的距离均为6mm。

从本发明的实施例来看，反射块301、302中心到对面管壁的距离为14.3983mm～12.5399mm，为现有技术的型流量测量装置中U反射板401、402中心到管壁的距离均为6mm的两倍多，因此，流体流过面积较大，在杂质存在的场合，也不易发生堵塞。

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

1.一种超声波流量测量装置，包括流体管道以及在流体管道内管壁上间隔一定距离L、垂直于管壁相对安装的上下游超声波换能器，其特征在于，

在流体管道内上下游超声波换能器正对面分别安装有一反射块，上游反射块的反射面与流体流入方向成35度到43度的夹角θ_上游，下游反射块的反射面与流体流出方向成35度到43度的夹角θ_下游，且夹角θ_下游＝夹角θ_上游。

间距L近似满足：

其中，r为流体管道内径，d为反射块反射面的长度。

2.根据权利要求1所述的超声波流量测量装置，其特征在于，所述的夹角θ_上游、夹角θ_下游为40度。

3.根据权利要求1所述的超声波流量测量装置，其特征在于，所述的上游反射块的迎流面为沿流体流动方向逐步升高的斜面。