CN102095889A - 三通道超声时差流速测量方法 - Google Patents

三通道超声时差流速测量方法 Download PDF

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朱昌平
单鸣雷
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Abstract

本发明公开了一种三通道超声时差流速测量方法，包括换能器安装方式、信号时间差获取和流速计算方法，换能器采用“W”型安装；在信号时间差获取上，用两个接收信号时间差取代收发信号时间差，提高信号时间差测量精度；在计算方法上，用接收信号顺流与垂直流向的时间差和逆流与垂直流向的时间差取代收发信号间的时间差，减小流速计算误差。本发明有效地减小由于声楔材料和管壁带来的误差，提高测量时间差的精度。

Description

三通道超声时差流速测量方法
技术领域
本发明涉及超声流速测量技术，特别是涉及多对超声换能器安装在已经布置在位的管道外侧的情况下，用于提高流速测量精度的三通道超声时差流速测量方法。 
背景技术
利用超声波测量流体的流速，与其他方法比，它具有无可动部件、无压损、成本对口径变动不敏感，因此在工业生产中具有一次投资多次、多管道测量的明显优势。 
目前，基于超声波时差法原理的超声波流速测量方法，以其原理简单、测量精度高的特点，广受欢迎，成为超声波流速测量的主流。 
申请号为“01100097.X”名称为“超声波多通道流量测量方法”的专利申请，公开的是同一管道截面安装多个测量通道，在不能十分精确地测量流体流动截面和由于管道是椭圆形使管道内径偏差的情况下，该方法能增强流量测量的精度。 
申请号为“03114624.4”名称为“一种小管径超声波流量测量装置及方法”的专利申请，公开的是换能器“V”型安装方式，流速计算过程中使用了超声在流体介质中的速度，并把它当着恒量使用，在实际工业生产过程中，超声在流体介质中的速度是随温度、介质密度等变化而变化的，不是恒量，而是变量，因此在流速测量过程中产生了误差。 
申请号为“200710125204.8”名称为“一种超声波流量检测系统及检测方法”的专利申请，公开的是换能器“Z”型安装方式，流速计算过程中没有考虑超声在声楔材料和管壁中的传播时间，把换能器收发时间差等同于超声在流体介质中传播的时间，因此在流速测量过程中产生了误差。 
专利号为“200820038526.9”名称为“同步收发时差式超声波流量计”的专利申请，公开的仍然是换能器“Z”型安装方式，在信号抗干扰方面做了改进，并采用信号同时收发，以提高测量速度，但并未从测量原理上提高测量精度。 
如图1所示，传统时差法：“V”型安装 
“V”型安装时，超声在声楔材料中传播速度为 
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE002
、顺流时传播时间为，逆流时传播时间为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE006
；管壁中传播速度为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE008
、顺流时传播时间为，逆流时传播时间为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE012
；流体中传播速度为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE014
、顺流时传播时间为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE016
，逆流时传播时间为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE018
；超声顺流时收发时间差为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE020
，逆流时收发时间差为。
可得：顺流时间为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE024
逆流时间为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE026
由于声楔材料与管壁处于相对静止状态，故对超声没有速度的影响。所以当超声入射角一定时，顺、逆流时超声在声楔材料与管壁中速度与时间相等。故：
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE028
,
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE030
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE032
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE034
令
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE040
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE042
此法不足是需要知道
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE044
的值，在实际测量过程中随着温度等外界因素的变化，
Figure 844906DEST_PATH_IMAGE044
不是一个恒定值，是一个变量。
如图2所示，改进时差法：“Z”型安装 
为了改善“V”型中需要知道值的不足，改进时差法常用“Z”型安装方法。
“Z”型安装时，超声在声楔材料中传播速度为
Figure 666417DEST_PATH_IMAGE002
、顺流时传播时间为
Figure 687725DEST_PATH_IMAGE004
，逆流时传播时间为
Figure 564414DEST_PATH_IMAGE006
；管壁中传播速度为、顺流时传播时间为，逆流时传播时间为
Figure 606472DEST_PATH_IMAGE012
；流体中传播速度为
Figure 337668DEST_PATH_IMAGE014
、顺流时传播时间为
Figure 957131DEST_PATH_IMAGE016
，逆流时传播时间为
Figure 773777DEST_PATH_IMAGE018
；超声顺流时收发时间差为
Figure 573106DEST_PATH_IMAGE020
，逆流时收发时间差为
Figure 158808DEST_PATH_IMAGE022
。 
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE046
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE048
由于声楔材料与管壁处于相对静止状态，故对超声没有速度的影响。所以当超声入射角一定时，顺、逆流时超声在声楔材料与管壁中速度与时间相等。 
故：
Figure 336455DEST_PATH_IMAGE028
,
Figure 204179DEST_PATH_IMAGE030
Figure 541619DEST_PATH_IMAGE032
Figure 247407DEST_PATH_IMAGE034
顺流时超声波在流体中的传播速度为：
逆流时超声波在流体中的传播速度为：
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE052
两式相减，并考虑到
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE054
，可以得到：
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE056
实际上用
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE058
、代替了、
Figure 489657DEST_PATH_IMAGE020
，产生了误差。若，则
Figure 256887DEST_PATH_IMAGE058
代替
Figure 817181DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure 217856DEST_PATH_IMAGE060
代替
Figure 230812DEST_PATH_IMAGE020
均产生了误差，
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE066
。
发明内容
本发明的目的是要提供一种有效地减小由于声楔材料和管壁带来的误差，提高测量时间差的精度的三通道超声时差流速测量方法。 
本发明实现上述目的的技术方案是，一种三通道超声时差流速测量方法，其创新点在于：包括第一发射超声换能器和第一接收超声换能器，第二发射超声换能器和第二接收超声换能器，第三发射超声换能器和第三接收超声换能器三对超声换能器，三对超声换能器构成三个通道；所述第一发射超声换能器、第二发射超声换能器和第三发射超声换能器的中心位于与管道的轴心线相平行的同一直线上且放置在管道一侧，所述第一接收超声换能器、第二接收超声换能器和第三接收超声换能器的中心位于与管道的轴心线相平行的同一直线上且放置在管道另一侧；所述第二发射超声换能器位于第三发射超声换能器的上游，且第一发射超声换能器位于第二发射超声换能器和第三发射超声换能器中间；所述第二接收超声换能器位于第三接收超声换能器的上游，且第一接收超声换能器位于第二接收超声换能器和第三接收超声换能器中间；所述第二发射超声换能器位于第二接收超声换能器的上游，所述第三接收超声换能器位于第三发射超声换能器的上游，且第二发射超声换能器和第二接收超声换能器间的超声信号在管道内传输的距离与第三接收超声换能器和第三发射超声换能器间的超声信号在管道内传输的距离相等；所述第一发射超声换能器和第一接收超声换能器的中心连线与管道中流体的流向相垂直，第一发射超声换能器、第二发射超声换能器和第三发射超声换能器同时发出信号，从第一发射超声换能器发射超声信号到第一接收超声换能器接收到超声信号的时间间隔为
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE068
，从第二发射超声换能器发射超声信号到第二接收超声换能器接收到超声信号的时间间隔为
Figure 926366DEST_PATH_IMAGE020
，从第三发射超声换能器发射超声信号到第三接收超声换能器接收到超声信号的时间间隔为
Figure 341167DEST_PATH_IMAGE022
，从而得到顺流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE070
=
Figure 969201DEST_PATH_IMAGE020
－
Figure 469453DEST_PATH_IMAGE068
，逆流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差
Figure 2010105638203100002DEST_PATH_IMAGE072
=
Figure 578485DEST_PATH_IMAGE022
－
Figure 113372DEST_PATH_IMAGE068
，利用公式计算出流体的流速v′，所述公式为 
Figure DEST_PATH_IMAGE074
，
其中，为顺流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差、为逆流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为管道内径且为第一发射超声换能器和第一接收超声换能器间的超声信号在管道内传输的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
为第二发射超声换能器和第二接收超声换能器间的超声信号在管道内传输的距离或第三接收超声换能器和第三发射超声换能器间的超声信号在管道内传输的距离。
本发明的方法采用接收的信号之间测时间差，由于两接收信号之间波形相似度比收发信号波形相似度高，幅值差异小，因此比收发信号间时间差更为准确测量，且流速计算公式中不含有超声在流体介质中的速度，时间差带入的误差比改进时差法更小，测量精度更高。 
附图说明
图1是传统时差法的“V”型安装法测量原理图； 
图2是改进时差法的“Z”型安装法测量原理图；
图3是本发明的“W”型安装法测量原理图，其中TRA、TRC、TRE为发射换能器，TRB、TRD、TRF为接收换能器，顺流方向，TRA发射，TRB接收；垂直流向，TRC发射时TRD接收；逆流方向，TRE发射时TRF接收。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。 
一种三通道超声时差流速测量方法，包括第一发射超声换能器TRC和第一接收超声换能器TRD，第二发射超声换能器TRA和第二接收超声换能器TRB，第三发射超声换能器TRE和第三接收超声换能器TRF三对超声换能器，三对超声换能器构成三个通道；所述第一发射超声换能器TRC、第二发射超声换能器TRA和第三发射超声换能器TRE的中心位于与管道的轴心线相平行的同一直线上且放置在管道一侧，所述第一接收超声换能器TRD、第二接收超声换能器TRB和第三接收超声换能器TRF的中心位于与管道的轴心线相平行的同一直线上且放置在管道另一侧；所述第二发射超声换能器TRA位于第三发射超声换能器TRE的上游，且第一发射超声换能器TRC位于第二发射超声换能器TRA和第三发射超声换能器TRE中间；所述第二接收超声换能器TRB位于第三接收超声换能器TRF的上游，且第一接收超声换能器TRD位于第二接收超声换能器TRB和第三接收超声换能器TRF中间；所述第二发射超声换能器TRA位于第二接收超声换能器TRB的上游，所述第三接收超声换能器TRF位于第三发射超声换能器TRE的上游，且第二发射超声换能器TRA和第二接收超声换能器TRB间的超声信号在管道内传输的距离与第三接收超声换能器TRF和第三发射超声换能器TRE间的超声信号在管道内传输的距离相等；所述第一发射超声换能器TRC和第一接收超声换能器TRD的中心连线与管道中流体的流向相垂直，第一发射超声换能器TRC、第二发射超声换能器TRA和第三发射超声换能器TRE同时发出信号，从第一发射超声换能器TRC发射超声信号到第一接收超声换能器TRD接收到超声信号的时间间隔为
Figure 892473DEST_PATH_IMAGE068
，从第二发射超声换能器TRA发射超声信号到第二接收超声换能器TRB接收到超声信号的时间间隔为
Figure 514822DEST_PATH_IMAGE020
，从第三发射超声换能器TRE发射超声信号到第三接收超声换能器TRF接收到超声信号的时间间隔为，从而得到顺流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差
Figure 398650DEST_PATH_IMAGE070
=
Figure 990431DEST_PATH_IMAGE020
－
Figure 234331DEST_PATH_IMAGE068
，逆流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差
Figure 548637DEST_PATH_IMAGE072
=－
Figure 643599DEST_PATH_IMAGE068
，利用公式计算出流体的流速v′，所述公式为 
Figure 7584DEST_PATH_IMAGE074
，
其中，
Figure 994257DEST_PATH_IMAGE070
为顺流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差、
Figure 443693DEST_PATH_IMAGE072
为逆流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差，
Figure 875811DEST_PATH_IMAGE076
为管道内径且为第一发射超声换能器TRC和第一接收超声换能器TRD间的超声信号在管道内传输的距离，
Figure 389576DEST_PATH_IMAGE078
为第二发射超声换能器TRA和第二接收超声换能器TRB间的超声信号在管道内传输的距离或第三接收超声换能器TRF和第三发射超声换能器TRE间的超声信号在管道内传输的距离。
 “W”型安装时，超声在声楔材料中传播速度为
Figure 248948DEST_PATH_IMAGE002
、顺流时传播时间为
Figure 920100DEST_PATH_IMAGE004
，逆流时传播时间为，垂直流向是传播时间为；管壁中传播速度为
Figure 855006DEST_PATH_IMAGE008
、顺流时传播时间为
Figure 440272DEST_PATH_IMAGE010
，逆流时传播时间为
Figure 598721DEST_PATH_IMAGE012
，垂直流向是传播时间为
Figure DEST_PATH_IMAGE082
；流体中传播速度为
Figure 434959DEST_PATH_IMAGE014
、顺流时传播时间为
Figure 926245DEST_PATH_IMAGE016
，逆流时传播时间为
Figure 127419DEST_PATH_IMAGE018
，垂直流向是传播时间为
Figure DEST_PATH_IMAGE084
；超声顺流时收发时间差为，逆流时收发时间差为，垂直于流体流向收发时间差为
Figure 755956DEST_PATH_IMAGE068
。 
并作了如下假设：1、
Figure DEST_PATH_IMAGE088
。2、
Figure DEST_PATH_IMAGE090
，当声楔材料、管壁与流体密度相同时，要求声楔材料与管壁厚度之和小于管径；实际情况是声楔材料与管壁密度都大于流体密度，故上述不等式通常是成立的。3、超声在声楔和管壁中传播时与流体流向的夹角均为
Figure DEST_PATH_IMAGE092
。 
由于声楔材料与管壁处于相对静止状态，故对超声没有速度的影响。所以当超声入射角一定时，顺、逆流时超声在声楔材料与管壁中速度与时间相等。 
故：
Figure 445476DEST_PATH_IMAGE028
,
Figure 640834DEST_PATH_IMAGE030
Figure DEST_PATH_IMAGE094
Figure DEST_PATH_IMAGE096
Figure DEST_PATH_IMAGE098
顺流与垂直流向时间差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE100
逆流与垂直流向时间差为：
Figure DEST_PATH_IMAGE102
测得顺流与垂直流向时间差
Figure 130459DEST_PATH_IMAGE070
、逆流与垂直流向的时间差
Figure 596337DEST_PATH_IMAGE072
计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE104
Figure DEST_PATH_IMAGE106
由几何关系得：
Figure DEST_PATH_IMAGE108
可以计算出流体流速为：
Figure DEST_PATH_IMAGE110
式中
Figure 967012DEST_PATH_IMAGE070
、
Figure DEST_PATH_IMAGE112
、
Figure 885552DEST_PATH_IMAGE076
、
Figure 867283DEST_PATH_IMAGE078
均可直接测量出，且不含有超声在静止流体介质中的速度
Figure 623886DEST_PATH_IMAGE044
。
实际上用
Figure DEST_PATH_IMAGE114
、
Figure DEST_PATH_IMAGE116
代替了
Figure DEST_PATH_IMAGE118
，产生了误差。若
Figure DEST_PATH_IMAGE120
，则 
Figure DEST_PATH_IMAGE122
、
Figure DEST_PATH_IMAGE124
代替了
Figure 340694DEST_PATH_IMAGE118
均产生了近似为
Figure DEST_PATH_IMAGE126
Figure DEST_PATH_IMAGE128
令
Figure DEST_PATH_IMAGE130
，
Figure DEST_PATH_IMAGE132
经比较
Figure DEST_PATH_IMAGE134
与
Figure DEST_PATH_IMAGE136
的大小，得
Figure DEST_PATH_IMAGE138
，故
Figure DEST_PATH_IMAGE140
   所述时间差均可以通过示波器的显示由人测量计算得到。
可以得到改进时差法产生的误差大于本发明方法产生的误差，所以本发明方法具有更高的测量精度。上述流速的计算公式虽然看似繁琐，对于目前常用的芯片来说，运算速度容易达到要求。 

Claims (1)

1. 一种三通道超声时差流速测量方法，其特征在于：包括第一发射超声换能器（TRC）和第一接收超声换能器（TRD），第二发射超声换能器（TRA）和第二接收超声换能器（TRB），第三发射超声换能器（TRE）和第三接收超声换能器（TRF）三对超声换能器，三对超声换能器构成三个通道；所述第一发射超声换能器（TRC）、第二发射超声换能器（TRA）和第三发射超声换能器（TRE）的中心位于与管道的轴心线相平行的同一直线上且放置在管道一侧，所述第一接收超声换能器（TRD）、第二接收超声换能器（TRB）和第三接收超声换能器（TRF）的中心位于与管道的轴心线相平行的同一直线上且放置在管道另一侧；所述第二发射超声换能器（TRA）位于第三发射超声换能器（TRE）的上游，且第一发射超声换能器（TRC）位于第二发射超声换能器（TRA）和第三发射超声换能器（TRE）中间；所述第二接收超声换能器（TRB）位于第三接收超声换能器（TRF）的上游，且第一接收超声换能器（TRD）位于第二接收超声换能器（TRB）和第三接收超声换能器（TRF）中间；所述第二发射超声换能器（TRA）位于第二接收超声换能器（TRB）的上游，所述第三接收超声换能器（TRF）位于第三发射超声换能器（TRE）的上游，且第二发射超声换能器（TRA）和第二接收超声换能器（TRB）间的超声信号在管道内传输的距离与第三接收超声换能器（TRF）和第三发射超声换能器（TRE）间的超声信号在管道内传输的距离相等；所述第一发射超声换能器（TRC）和第一接收超声换能器（TRD）的中心连线与管道中流体的流向相垂直，第一发射超声换能器（TRC）、第二发射超声换能器（TRA）和第三发射超声换能器（TRE）同时发出信号，从第一发射超声换能器（TRC）发射超声信号到第一接收超声换能器（TRD）接收到超声信号的时间间隔为                                                
Figure 2010105638203100001DEST_PATH_IMAGE001
，从第二发射超声换能器（TRA）发射超声信号到第二接收超声换能器（TRB）接收到超声信号的时间间隔为
Figure 55537DEST_PATH_IMAGE002
，从第三发射超声换能器（TRE）发射超声信号到第三接收超声换能器（TRF）接收到超声信号的时间间隔为
Figure 2010105638203100001DEST_PATH_IMAGE003
，从而得到顺流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差
Figure 869473DEST_PATH_IMAGE004
=
Figure 748436DEST_PATH_IMAGE002
－
Figure 173863DEST_PATH_IMAGE001
，逆流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差
Figure 2010105638203100001DEST_PATH_IMAGE005
=
Figure 759565DEST_PATH_IMAGE003
－
Figure 874895DEST_PATH_IMAGE001
，利用公式计算出流体的流速v′，所述公式为
，
其中，
Figure 453961DEST_PATH_IMAGE004
为顺流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差、
Figure 723531DEST_PATH_IMAGE005
为逆流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差，
Figure 2010105638203100001DEST_PATH_IMAGE007
为管道内径且为第一发射超声换能器（TRC）和第一接收超声换能器（TRD）间的超声信号在管道内传输的距离，
Figure 874676DEST_PATH_IMAGE008
为第二发射超声换能器（TRA）和第二接收超声换能器（TRB）间的超声信号在管道内传输的距离或第三接收超声换能器（TRF）和第三发射超声换能器（TRE）间的超声信号在管道内传输的距离。
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