CN102062623B

CN102062623B - 消除零点误差的超声波流量计

Info

Publication number: CN102062623B
Application number: CN2010105704953A
Authority: CN
Inventors: 郭荣岭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2030-12-02
Also published as: CN102062623A

Abstract

本发明公开了一种消除零点误差的超声波流量计，包括外管,外管内安装超声波发射探头和超声波接收探头，外管内安装导声柱,超声波发射探头和超声波接收探头分别位于导声柱两端头位置，采用支撑件分别将超声波发射探头和超声波接收探头安装在外管内，导声柱通过支撑件与外管连接。本发明可以解决公知技术存在的不足，消除零点误差，使超声波流量计达到准确计量的目的。

Description

消除零点误差的超声波流量计

技术领域

本发明涉及流量计，是一种能够消除零点误差的超声波流量计。

背景技术

超声波流量计由于比机械等结构的流量计具有计量准确、运行无阻等优点被广泛应用。但是，现在市场上使用的时差法超声波流量计，其主要结构是在流体的上游和下游安装两个超声波探头，即：上游探头和下游探头，探头间的距离固定不变，超声波探头是双工的，既可以用于发射超声波也可以接收超声波，当有流体流动时超声波在两个探头间的传播速度与流体的流速存在线性叠加关系，当超声波顺溜传播时速度要加上流体的速度，当超声波逆流传播时速度要减去流体的速度，因此超声波逆流传播时间要长于顺流传播时间，通过测量超声波逆流与顺流传播的时间差就可以计算出流体的速度，从而推算出流体的流量。这种结构的超声波流量计的不足是：测出的时间差是两部分组成的，第一是因为流体流动而造成的超声波传播时间差，这个时间差是真实时间差；第二是探头以及电路不对称延迟造成的时间差，这个时间差为误差时间差。这两个时间差叠加在一起无法区分开，因此造成超声波流量计有较大的零点误差。实际应用中，由于超声波探头在制造中无法达到特性一致，零点误差会随着温度，压力等因素而改变，导致出现零点误差漂移，这种零点误差漂移使流量计存在较大的计量误差，当对小流量进行计量时，经常导致计量失败；为了得到零点漂移量小的超声波流量计，制造企业常采用超声波探头严格配对、电路对称等方案，但是，使用一段时间后，探头的老化仍会使流量计产生零点误差和漂移问题，使计量失真。为此，本领域技术人员多年来一直不断提供设计方案，但是均不能消除零点误差。

发明内容

本发明的目的是提供一种消除零点误差的超声波流量计，它可以解决公知技术存在的不足，消除零点误差，使超声波流量计达到准确计量的目的。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：消除零点误差的超声波流量计，包括外管, 外管内安装超声波发射探头和超声波接收探头，外管内安装导声柱,超声波发射探头和超声波接收探头分别位于导声柱两端头位置，采用支撑件分别将超声波发射探头和超声波接收探头安装在外管内，导声柱通过支撑件与外管连接。外管内安装一段内管,外管与内管间紧密配合，以阻止流体由内管外壁通过，内管的空腔中安装导声柱,导声柱两端分别位于内管的外侧。超声波发射探头的外周安装第一探头护管,超声波接收探头的外周安装第二探头护管。内管一端与第一支架连接，第一支架与第一探头护管连接，第一探头护管内安装超声波探头,第一探头护管一端的第一连接筋与导声柱一端连接，内管另一端与第二支架连接，第二支架与第二探头护管连接，第二探头护管内安装超声波探头，第二探头护管一端的第二连接筋与导声柱另一端连接。导声柱中部是圆柱体，两端分别为锥体，导声柱中部截面积分别小于两端头截面积，导声柱两端的锥体分别位于内管两端的外侧。导声柱两端的锥体外端面分别是锥形面，锥形面为凸锥形面或凹锥形面。导声柱可采用玻璃、陶瓷、有机玻璃、聚砜或其他聚合物制作。

本发明的优点在于：能够彻底消除超声波流量计的零点误差，本发明方案中通过导声柱将流体中的超声波分成快速声波和慢速声波，快速声波用于测量因超声波探头延迟、电路延迟引起的传播时间差，即：误差时间差；慢速声波用于测量真实时间差和误差时间差叠加在一起的复合时间差，然后在计算中扣除误差时间差，这就从根本上消除了时间差法超声波流量计的零点误差。用快速声波和慢速声波进一步说明：由于超声波探头和导声柱之间的空隙中流体的速度一定为零，这段区域称为：流体静止区，超声波沿着路径：超声波探头——流体静止区——导声柱——流体静止区——超声波探头传播时不会叠加流体流速，因此传播时间差就是因为探头和电路的不对称延迟造成的传播时间差，也就是误差时间差，在这个超声波传播路径中由于导声柱中的声速大于流体中的声速，因此超声波传播的速度较快，因此称为快速声波；再用慢速声波的传播做说明：另一个超声波传播路径：超声波探头——流体——超声波探头，在这个传播路径中超声波的速度叠加上了流体的流速，同时也包含了探头和电路的延迟时间，因此测到的是复合时间差，由于传播介质只有流体，且流体的声速要比导声柱小，传播速度低，因此称为慢速声波。由于把同一个探头发出的超声波分成了两束波：快速声波和慢速声波，利用快速声波可以测出误差时间差，利用慢速声波可以测出真实时间差与误差时间差叠加的复合时间差，因此可以用复合时间差减去误差时间差就可以得到真实时间差，也就从根本上消除了时间差法超声波流量计中存在的零点误差，从而消除了零点漂移，使流量计准确度提高至99%，并且，本发明不会由于超声波探头的老化而产生零点误差，即：本发明流量计的精确度和长期运行中的稳定性得到了保证。

附图说明

附图1是本发明结构示意图；附图2是本发明实施例之一结构示意图；附图3是附图2中A-A剖视结构示意图；附图4是本发明实施例之一结构示意图；附图5是本发明实施例之一结构示意图；附图6是导声柱9结构之一示意图。

具体实施方式

对照附图对本发明做进一步说明。

本发明所述的消除零点误差的超声波流量计的主要设计是采用导声柱将声波分成了两路，一路为快速声波，另一路为慢速声波。快速声波用于测量由电路和探头的不对称而形成的误差时间差，慢速声波用于测量真实时间差与误差时间差的复合时间差，然后从复合时间差中减去误差时间差，从而得到真实的时间差，从根本上消除了零点误差。因此，本发明所述的消除零点误差的超声波流量计，其主要结构是有一个外管1, 外管1内安装超声波发射探头和超声波接收探头，外管1内安装导声柱9,超声波发射探头和超声波接收探头分别位于导声柱9两端头位置，采用支撑件分别将超声波发射探头和超声波接收探头安装在外管1内，导声柱9通过支撑件与外管1连接。本发明所述的超声波探头安装在导声柱9两端头位置，是指导声柱9的长度方向的两端头。超声波发射探头和接收探头的安装位置可以有多种方式，如附图1-附图5所示的结构，超声波探头可以安装在平直的外管1内或安装在外管1突起的部位，但，外管1的突起部位与外管1的腔体相通，超声波发射和接收探头无论安装在外管1的那个位置，均应当与导声柱9的端头之间构成流体静止区G1和G2。当超声波发射和接收探头安装在外管1的突起部位、导声柱9沿外管1水平方向安装时，可在外管1内、位于超声波发射和接收探头的下方分别安装超声波反射片，如附图4所示结构，以实现超声波探头接收导声柱9将超声波分成两路的设计方案。

本发明所述的消除零点误差的超声波流量计可以有多个实施例，如附图1、附图2和附图3、附图4、附图5。附图2和附图3所示为优选方案，其具体结构为：外管1内安装一段内管2，内管2位于外管1内需要计量流体的一段长度内，外管1内壁与内管2外壁间紧密配合，以阻止流体由内管2外壁通过，为了更好的密封，可在内管、外管1配合处安装密封圈或涂抹密封胶，为了消除零点误差，在内管2的空腔中安装导声柱9,导声柱9两端分别位于内管2的外侧，更进一步的方案是，导声柱9两端截面积大于中部圆柱体的锥体部分分别位于内管2的两端外侧，便于声波从流体耦合到导声柱9，本发明中采用的超声波发射探头5和超声波接收探头6通过支撑件分别安装在外管1内位于内管2的两端外侧，导声柱9两端分别与超声波发射探头5和超声波接收探头6之间的空隙构成流体静止区，即：第一流体静止区G1和第二流体静止区G2，使超声波发射探头流体静止区的流体耦合到导声柱9,通过导声柱9后耦合到超声波接收探头的流体静止区的流体中，然后到达接收探头，这种快速声波的传播没有叠加流体流速，因此，这种传播时间差就是探头和电路的不对称延迟造成的传播时间之差，就是误差时间差，这种误差时间差成为可测误差，再利用慢速声波的时间差，即：真实的流体流动引起的时间差与误差时间差叠加了复合时间差，再用复合时间差减去误差时间差即可得到真实的时间差，这就可在设计时的运算中扣除零点误差，从而消除零点漂移。导声柱9安装在内管2中和超声波探头安装在外管内均需要有支撑结构，导声柱9可通过支撑件与外管1或内管2连接，这种支撑结构可以有多种形式，例如：采用支撑件与内管2固定，也可采用支撑件与外管1固定，通过固定导声柱9再使导声柱9与超声波探头的支撑件连接等结构均可，支撑件也可用于同时支撑导声柱9和超声波探头。本发明提供一种具体的支撑结构：内管2一端与第一支架7连接，第一支架7与第一探头护管3连接，第一探头护管3内安装超声波发射探头5,第一探头护管3一端的第一连接筋10与导声柱9一端连接，内管2另一端与第二支架8连接，第二支架8与第二探头护管4连接，第二探头护管4内安装超声波接收探头6，第二探头护管4一端的第二连接筋11与导声柱9另一端连接。该支撑结构便于制作，便于安装，支撑固牢。但支撑导声柱和超声波探头的支撑结构不限于此方案，如附图4所示：支架14用于支撑导声柱9，超声波探头安装在外管1的突起部，在超声波探头的下方分别安装第一超声波反射片12和第二超声波反射片13。

为了使超声波发射探头5和超声波接收探头6便于浸入水中不被水侵蚀，可在超声波发射探头5的外周安装第一探头护管3,超声波接收探头6的外周安装第二探头护管4，当超声波发射探头5和超声波接收探头6的产品本身具有防水功能时，则不需要探头护管，此时，超声波发射和接收的探头可通过支撑件与导声柱9连接或与内管2连接或与外管1连接。

本发明所述导声柱9的结构可以是：导声柱9中部是圆柱体，两端分别为锥体，导声柱9中部截面积分别小于两端头截面积，导声柱9两端的锥体分别位于内管2两端的外侧。这种结构更有利于声波从流体耦合到导声柱9。由于流体和导声柱9的波阻抗不同，所以声波在耦合到导声柱9时有较大的反射，导声柱9两端截面积较大可以把更多的声波耦合到导声柱9内，导声柱9中间较细，可以减少导声柱9在内管2的空腔内占用截面积，使更多的流体流动，更有利于减少流量计的压力损失。

本发明所述的导声柱9两端的锥体外端面分别是锥形面，锥形面为凸锥形面或凹锥形面。用于更好的消除回声，使测量误差更准确。本发明所述的导声柱9可采用玻璃、陶瓷、有机玻璃、聚砜或其他聚合物制作,更便于传递声速。

本发明所述的导声柱9也可以是圆柱体或圆柱体及两端头的锥形结构，如附图6所示，但其导声效果不是处于最佳状态。图中14是连接件。

Claims

1.消除零点误差的超声波流量计，其特征在于：包括外管（1）,外管(1)内安装超声波发射探头和超声波接收探头，外管（1）内安装一段内管（2）,外管（1）与内管（2）间紧密配合，以阻止流体由内管（2）外壁通过，内管（2）的空腔中安装导声柱（9）,导声柱（9）两端分别位于内管（2）的外侧,超声波发射探头和超声波接收探头分别位于导声柱(9)两端头位置，采用支撑件分别将超声波发射探头和超声波接收探头安装在外管（1）内。

2.根据权利要求1所述的消除零点误差的超声波流量计，其特征在于：超声波发射探头（5）的外周安装第一探头护管（3）,超声波接收探头（6）的外周安装第二探头护管（4）。

3.根据权利要求1所述的消除零点误差的超声波流量计，其特征在于：内管（2）一端与第一支架（7）连接，第一支架（7）与第一探头护管（3）连接，第一探头护管（3）内安装超声波发射探头（5）,第一探头护管（3）一端的第一连接筋（10）与导声柱（9）一端连接，内管（2）另一端与第二支架（8）连接，第二支架（8）与第二探头护管（4）连接，第二探头护管（4）内安装超声波接收探头（6），第二探头护管（4）一端的第二连接筋（11）与导声柱（9）另一端连接。

4.根据权利要求1所述的消除零点误差的超声波流量计，其特征在于：导声柱（9）中部是圆柱体，两端分别为锥体，导声柱（9）中部截面积分别小于两端头截面积，导声柱（9）两端的锥体分别位于内管（2）两端的外侧。

5.根据权利要求4所述的消除零点误差的超声波流量计，其特征在于：导声柱（9）两端的锥体外端面分别是锥形面，锥形面为凸锥形面或凹锥形面。