CN102288235A - 一种双道混合型超声波流量计及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双道混合型超声波流量计及测量方法，所述测量方法包括步骤：采用双道多普勒法测得流经管道中心流体的中心流速Vc；采用双道延时法测得经过管道中心的声道的流体线平均流速Vxc；基于测量所得的中心流速Vc、线平均流速Vxc，计算出待测流体的流速分布，从而得到平均流速Vavg；根据平均流速Vavg计算得到待测流体流量并输出待测流体的流量。本发明测量方法同时使用延时法和多普勒法：可以动态解算流速分布系数提高测量精度；双模式无间断自动诊断技术扩大了测量方法的测量范围，可以无间断应用于洁净单相流体和多杂质流体；每种模式都以双道测量实现，提高了测量的可靠性和响应速度。

Description

一种双道混合型超声波流量计及测量方法

技术领域

本发明涉及一种超声波流量计及测量方法，尤其是一种双道双模式混合型超声波流量计及测量方法。

背景技术

随着传感技术和集成电路的迅速发展，超声波流量计不断得以改进。众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，而且在石油化工能源输送领域对流量计的精度要求特别高，特别是用于贸易交接的流量计检测仪器。超声波流量计因在输送流体的管道管壁上安装超声波发送/接收传感器，并通过与传感器相连的集成电路计算出流过管道的流体流量，其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；而且管道外安装、非接触式测流的特点便于安装和检修，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应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。

现有的超声波流量计依原理主要分为两大类：延时法和多普勒法。其中延时法超声波流量计(Transit Time Ultrasonic Flowmeter)的工作原理是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。这种方法需要超声波穿透流体，因此要求流体不能有含有太多的气泡或杂质使信号强度大幅衰减，适用于测量比较纯净的流体。多普勒超声波流量计(Doppler Ultrasonic Flowmeter)的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的，根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。因此，多普勒超声波流量计测量的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质。因此，多普勒法适用于杂质或者气泡比较多的流体。

由上面的分析可以看到时差法与多普勒法要求的流体性质正好相反，应用的场合也很不相同。现有的实际应用中，用户需根据流体性质选择相应的流量计，但在很多应用中流体的性质会随时间和工况的变化发生改变。例如，水泵站在正常运行时水质清、气泡少，适合使用时差法流量计，但在水泵刚刚开启的一段时间内往往会有较多沙土和气泡通过管道，这时又适合使用多普勒流量计。因此，单一的流量计并不能满足高精度的流量测量场合。

现在市场上已经有少量时差法与多普勒法结合的混合型流量计机型，但都是实现模式切换，不能同时综合使用时差法和多普勒法，而很多流量工况下时差法和多普勒法都可以一定程度上完成测量，选择单一的测量结果无法全面地反应流速的分布信息。大多数混合型超声波流量计使用单一的时差法和多普勒法声道，易受流量分布和杂质状况的随机影响，无法获得更稳定和可靠的测量。美国专利专利号为US 7437948 B2，专利名称为《ULTRASONIC FLOWMETER ANDULTRASONIC FLOW RATE MEASUREMENT METHOD》专利文献中公开了一种超声波流量计及超声波流量的测量方法。强调超声波发射和接收在同一轴线上，所述测量方法包括传输时间差法和脉冲多普勒法，所述传输时间差法、脉冲多普勒法可根据外部信号或指令同时测量或者单独测量流体流量，但上述两种测量方法没有互相结合起来对待测流体流量进行测量，所述脉冲多普勒法需单独测量流体流经管道的横截面的流速分布，存在实际现场测量的适应性问题，对待测流体中移动杂质分布要求高，而现实中流体的移动杂质多集中在流体中心，故其精度难以保证；所述超声波流量计包括第一流量测量单元、第二流量测量单元、多个第一和第二传感器单元、及用于使第一和第二测量单元共用所述传感器单元的传感器转换单元。所述第一和第二测量单元共用一对电/超声波传感器，并且各测量单元独立计算待测流体的流量，存在对待测流体流质要求高，测量精度低的缺陷。

发明内容

本发明的目的是：提供一种基于延时法和多普勒法结合的双道的超声波流量测量方法；

本发明的另一目的是：提供一种双道混合型超声波流量计，所述流量计利用了延时法和多普勒法的测量原理，并且采用了双道的稳定性结构设计。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种双道混合型超声波流量测量方法，包括以下步骤：

S1.采用双道多普勒法测得流经管道中心流体的中心流速Vc；

S2.采用双道延时法测得经过管道中心的声道的流体线平均流速Vxc；

S3.基于测量所得的中心流速Vc、线平均流速Vxc，计算出待测流体的流速分布，从而得到平均流速Vavg；

S4.根据平均流速Vavg计算得到待测流体流量并输出待测流体的流量。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1中，多普勒法采用双道连续波，发出的声波经管道中心区域的杂质或气泡反射后被接收传感器接收，测得管道中心区域的中心流速Vc。

进一步作为优选的实施方式，所述多普勒法和延时法各自采用两个测量声道，每一个声道可以独立完成流量测量，每一种方法的流量结果由两个声道的测量结果经过对比、加权平均计算得出。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3包括以下步骤：

由中心流速Vc和线平均流速Vxc估算待测流体的雷诺系数Re；

将待测流体的雷诺系数Re与设定范围值比较；

根据上述的比较结果，确定待测流体的流体状态，所述流体状态包括：

当流体的雷诺系数Re大于设定范围上限值时，流体处于紊流状态；

当流体的雷诺系数Re小于设定范围下限值时，流体处于层流状态；

当流体的雷诺系数Re处于设定范围值区间内时，流体处于中间过渡状态；

根据待测流体所处的流体状态，选择相应的测量模式，计算待测流体的平均流速Vavg，所述测量模式包括：

当待测流体处于层流状态时，根据和

的加权平均计算平均流速Vavg；

当待测流体处于紊流状态时，由已获得的Vc和Vxc根据紊流流速分布公式

计算出其中的曲面特征参数N，然后计算出平均流速Vavg，其中Vc为中心流速，V(r)为距离管道中心点距离为r的流体流速，r为距离管道中心点的距离，R为管道的直径，N为曲面特征参数；

当待测流体处于中间过渡状态时，先分别根据层流状态、紊流状态的计算方法计算出平均流速Vavg，然后对两种方法得到的平均流速Vavg进行加权平均，所得最终结果作为中间过渡状态时的平均流速Vavg。

进一步作为优选的实施方式，所述雷诺系数的设定范围值可选为1000～5000。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3还包括对延时法和多普勒法的测量信号进行智能判断：

当延时法与多普勒法测量信号均可接受时，根据权利要求4所述的方法得到流量结果；

当延时法测量信号不可接受时，延时法的测量结果加权系数为零，由多普勒法得到Re估算值，紊流状态和过渡状态下由经验公式N＝1.66*log(Re)得到曲面特征参数N值；

当多普勒法测量信号不可接受时，多普勒法的测量结果加权系数为零，由延时法得到Re估算值，紊流状态和过渡状态下由经验公式N＝1.66*log(Re)得到曲面特征参数N值。

进一步作为优选的实施方式，所述延时法和多普勒法传感器可以采用不同频率或编码。

一种双道混合型超声波流量计，包括四个传感器单元和一个电子装置，四个传感器单元位于一个通过管道轴线的平面上并固定安装在管道外壁上，通过导线与电子装置连接。

进一步作为优选的实施方式，所述每一个传感器单元包括一延时法超声波换能器和多普勒法超声波换能器，所述延时法超声波换能器和多普勒法超声波换能器位于不同的轴线上。

进一步作为优选的实施方式，所述电子装置包括延时法测量单元、多普勒法测量单元、测量信号判断单元、流量计算单元和流量输出单元，所述延时法测量单元和多普勒测量单元的测量信号输出给测量信号判断单元，所述测量信号经智能判断后输出给流量计算单元，经流量计算单元运算后将待测流体流量从流量输出单元输出显示。

进一步作为优选的实施方式，调整管道外壁上传感器单元的位置，组成Z型或V型安装的延时法测量装置。

本发明的有益效果是：本发明测量方法通过结合多普勒法和延时法，解算出流体流速分布的曲面特征参数，减小了流量受流速分布的影响，提高了流量测量的精度；本发明测量方法中所述的多普勒测量方法仅对流体流经管道中心的中心流速进行测量，无需测量整个管道横截面的流速分布，提高了多普勒法的测量精度；本发明测量方法可以无间断应用于洁净单相流体和多杂质流体，解决了单独使用延时法或多普勒法不能适用所有工况的技术难题，双模式无间断自动诊断技术扩大了测量方法的测量范围。

本发明的另一个有益效果是：本发明流量计通过结合多普勒法和延时法，解算出流体流速分布的曲面特征参数，减小了流量受流速分布的影响，提高了流量测量的精度；本发明流量计采用双道设计，利用差分法减小了测量精度受流体外界状态的影响；本发明流量计传感器单元的延时法超声波换能器和多普勒法超声波换能器处于不同轴线上，两种测量方法可单独工作互不干扰；本发明流量计可以无间断应用于洁净单相流体和多杂质流体，解决了单独使用延时法或多普勒法不能适用所有工况的技术难题，双模式无间断自动诊断技术扩大了装置的的测量范围。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明测量方法的流程图；

图2是本发明测量方法步骤3的具体实施例子流程图；

图3是本发明测量方法Z型安装模式示意图；

图4是本发明测量方法V型安装模式示意图。

附图标记：

31Z型安装模式延时法第1声道

32Z型安装模式延时法第2声道

33Z型安装模式多普勒法第1声道

34Z型安装模式多普勒法第2声道

35传感器单元

36延时法超声波换能器

37多普勒法超声波换能器

41V型安装模式延时法第1声道

42V型安装模式延时法第2声道

43V型安装模式多普勒法第1声道

44V型安装模式多普勒法第2声道。

具体实施方式

本发明一种双道混合型超声波流量测量方法的主要难点是：需要动态地计算流体的流速分布。流速分布与流体雷诺数Re有关。Re与流体的流速和管径成正比，与流体的粘度成反比，见表达式1：

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρ}*V*D}{\mathrm{\μ}}---\left(1\right)$

其中ρ为流体密度，V为流体平均流速，D为流体流经管道的直径，μ为流体粘度。

当雷诺系数Re小于1000时一般流体为层流，而雷诺系数Re大于5000时一般为紊流，当雷诺系数Re处于1000～5000的区间内时，流体为中间过渡状态。

流体为层流时流速分布的公式见表达式2：

$V\left(r\right)=\mathrm{Vc}*(1-\frac{r^2}{R^2})---\left(2\right)$

其中Vc为中心流速，V(r)为距离管道中心点距离为r的流体流速，r为距离管道中心点的距离，R为管道的直径。

流体为紊流时流速分布的公式见表达式3：

$V\left(r\right)=\mathrm{Vc}*{(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{N}}---\left(3\right)$

其中Vc为中心流速，V(r)为距离管道中心点距离为r的流体流速，r为距离管道中心点的距离，R为管道的直径，N为曲面特征参数。

曲面特征参数N与雷诺系数Re之间存在一种经验值运算关系，见表达式4：

N＝1.66*log(Re)                (4)

延时法测量流体流速的运算公式见表达式5：

$\mathrm{Vx}=\frac{C^2*\mathrm{dT}}{2*L}---\left(5\right)$

其中V_x为沿声波传输路径的线平均流速，C为流体静态时的声速，dT为顺流与逆流传播的飞行时间差，L为沿声波传输方向的传输距离。

紊流状态时，流体中心线平均流速Vxc与流体中心流速Vc存在以下关系，见表达式6：

$\mathrm{Vxc}=\frac{\underset{0}{\overset{R}{\∫}}\mathrm{Vc}*{(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{N}}*\mathrm{dr}}{R}---\left(6\right)$

其中r为距离管道中心点的距离，R为管道的直径，N为曲面特征参数。

紊流状态时，流体平均流速Vavg与中心流速Vc的关系式见表达式7：

$\mathrm{Vavg}=\frac{\underset{0}{\overset{R}{\∫}}{(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{N}}*2*\mathrm{\π}*r*\mathrm{dr}}{\mathrm{\π}*R^2}*\mathrm{Vc}---\left(7\right)$

其中Vc为中心流速，r为距离管道中心点的距离，R为管道的直径，N为曲面特征参数。

紊流状态时，流体平均流速Vavg与中心线平均流速Vxc的关系式见表达式8：

$\mathrm{Vavg}=\frac{\underset{0}{\overset{R}{\∫}}{(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{N}}*2*r*\mathrm{dr}}{R*\underset{0}{\overset{R}{\∫}}{(1-\frac{r}{R})}^{\frac{1}{N}}*\mathrm{dr}}*\mathrm{Vxc}---\left(8\right)$

其中Vxc为中心线平均流速，r为距离管道中心点的距离，R为管道的直径，N为曲面特征参数。

大多数应用中的流体处于紊流状态，其流速分布有中心流速Vc/中心线平均流速Vxc和曲面特征参数N两个未知数，因此需要两个以上测量声道或测量模式才能解算出流速分布。

参照图1，本发明一种双道混合型超声波流量测量方法，包括以下步骤：

S1.采用双道多普勒法测得流经管道中心流体的中心流速Vc；

S2.采用双道延时法测得经过管道中心的声道的流体线平均流速Vxc；

S3.基于测量所得的中心流速Vc、线平均流速Vxc，计算出待测流体的流速分布，从而得到平均流速Vavg；

S4.根据平均流速Vavg计算得到待测流体流量并输出待测流体的流量。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S1中，多普勒法采用双道连续波，发出的声波经管道中心区域的杂质或气泡反射后被接收传感器接收，测得管道中心区域的中心流速Vc。

进一步作为优选的实施方式，所述多普勒法和延时法各自采用两个测量声道，每一个声道可以独立完成流量测量，参照图3，多普勒法包括多普勒法第1声道33、多普勒法第2声道34，延时法包括延时法第1声道31、延时法第2声道32。每一种方法的流量结果由两个声道的测量结果经过对比、加权平均计算得出。

参照图2，进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3包括以下步骤：

由中心流速Vc和线平均流速Vxc估算待测流体的雷诺系数Re；

将待测流体的雷诺系数Re与设定范围值比较；

根据上述的比较结果，确定待测流体的流体状态，所述流体状态包括：

当流体的雷诺系数Re大于设定范围上限值时，流体处于紊流状态；

当流体的雷诺系数Re小于设定范围下限值时，流体处于层流状态；

当流体的雷诺系数Re处于设定范围值区间内时，流体处于中间过渡状态；

根据待测流体所处的流体状态，选择相应的测量模式，计算待测流体的平均流速Vavg，所述测量模式包括：

当待测流体处于层流状态时，根据

和的加权平均计算平均流速Vavg；

当待测流体处于紊流状态时，由已获得的Vc和Vxc根据紊流流速分布公式

计算出其中的曲面特征参数N，然后根据表达式7和表达式8加权平均计算出平均流速Vavg；

当待测流体处于中间过渡状态时，先分别根据层流状态、紊流状态的计算方法计算出平均流速Vavg，然后对两种方法得到的平均流速Vavg进行加权平均，所得最终结果作为中间过渡状态时的平均流速Vavg。

进一步作为优选的实施方式，所述设定范围值可选为1000～5000。

进一步作为优选的实施方式，所述步骤S3还包括对延时法和多普勒法的测量信号进行智能判断：

当延时法与多普勒法测量信号均可接受时，则可根据前面所述的方法得到流量结果，将延时法测量所得的线平均流速Vxc和多普勒法测量所得的中心流速Vc应用于所述测量模式中得到待测流体流量；

当延时法测量信号不可接受时，延时法的测量结果加权系数为零，由多普勒法得到Re估算值，紊流状态和过渡状态下由经验公式N＝1.66*log(Re)得到曲面特征参数N值；

当多普勒法测量信号不可接受时，多普勒法的测量结果加权系数为零，由延时法得到Re估算值，紊流状态和过渡状态下由经验公式N＝1.66*log(Re)得到曲面特征参数N值。

进一步作为优选的实施方式，所述延时法和多普勒法传感器可以采用不同频率或编码。

一种双道混合型超声波流量计，包括四个传感器单元和一个电子装置，四个传感器单元位于一个通过管道轴线的平面上并固定安装在管道外壁上，通过导线与电子装置连接。

进一步作为优选的实施方式，所述每一个传感器单元包括两个分别属于多普勒法和延时法测量方法的超声波换能器。

进一步作为优选的实施方式，所述电子装置包括延时法测量单元、多普勒法测量单元、测量信号判断单元、流量计算单元和流量输出单元，所述延时法测量单元和多普勒测量单元的测量信号输出给测量信号判断单元，所述测量信号经智能判断后输出给流量计算单元，经流量计算单元运算后将待测流体流量从流量输出单元输出显示。

进一步作为优选的实施方式，调整管道外壁上传感器单元的位置，组成Z型或V型安装的延时法测量装置。

参照图3，本发明测量方法Z型安装模式示意图，FLOW箭头指示待测流体的流向，本测量装置包括4个传感器单元35，所述传感器单元35包括可双向发射接收超声波信号的延时法超声波换能器36和多普勒法超声波换能器37。本测量装置采用双道可靠设计，其中31为延时法第1声道，32为延时法第2声道，33为多普勒法第1声道，34为多普勒法第2声道；

参照图4，FLOW箭头指示待测流体的流向，通过调整安装在管道外壁传感器单元35的位置可形成本测量方法的V型安装，其中41为延时法第1声道，42为延时法第2声道，43为多普勒法第1声道，44为多普勒法第2声道。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种双道混合型超声波流量测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.采用双道多普勒法测得流经管道中心流体的中心流速Vc；

S2.采用双道延时法测得经过管道中心的声道的流体线平均流速Vxc；

S3.基于测量所得的中心流速Vc、线平均流速Vxc，计算出待测流体的流速分布，从而得到平均流速Vavg；

S4.根据平均流速Vavg计算得到待测流体流量并输出待测流体的流量。

2.根据权利要求1所述的一种双道混合型超声波流量测量方法，其特征在于：所述步骤S1中，多普勒法采用双道连续波，发出的声波经管道中心区域的杂质或气泡反射后被接收传感器接收，测得管道中心区域的中心流速Vc。

3.根据权利要求1所述的一种双道混合型超声波流量测量方法，其特征在于：多普勒法和延时法各自采用两个测量声道，每一个声道可以独立完成流量测量，每一种方法的流量结果由两个声道的测量结果经过对比、加权平均计算得出。

4.根据权利要求1所述的一种双道混合型超声波流量测量方法，其特征在于：所述步骤S3包括以下步骤：

由中心流速Vc和线平均流速Vxc估算待测流体的雷诺系数Re；

将待测流体的雷诺系数Re与设定范围值比较；

根据上述的比较结果，确定待测流体的流体状态，所述流体状态包括：

当流体的雷诺系数Re大于设定范围上限值时，流体处于紊流状态；

当流体的雷诺系数Re小于设定范围下限值时，流体处于层流状态；

当流体的雷诺系数Re处于设定范围值区间内时，流体处于中间过渡状态；

根据待测流体所处的流体状态，选择相应的测量模式，计算待测流体的平均流速Vavg，所述测量模式包括：

当待测流体处于层流状态时，根据

和的加权平均计算平均流速Vavg；

当待测流体处于紊流状态时，由已获得的Vc和Vxc根据紊流流速分布公式计算出其中的曲面特征参数N，然后计算出平均流速Vavg，其中Vc为中心流速，V(r)为距离管道中心点距离为r的流体流速，r为距离管道中心点的距离，R为管道的直径，N为曲面特征参数；

当待测流体处于中间过渡状态时，先分别根据层流状态、紊流状态的计算方法计算出平均流速Vavg，然后对两种方法得到的平均流速Vavg进行加权平均，所得最终结果作为中间过渡状态时的平均流速Vavg。

5.根据权利要求4所述的一种双道混合型超声波流量测量方法，其特征在于：所述步骤S3还包括对延时法和多普勒法的测量信号进行智能判断：

当延时法与多普勒法测量信号均可接受时，根据权利要求4所述的方法得到流量结果；

当延时法测量信号不可接受时，延时法的测量结果加权系数为零，由多普勒法得到Re估算值，紊流状态和过渡状态下由经验公式N＝1.66*log(Re)得到曲面特征参数N值；

当多普勒法测量信号不可接受时，多普勒法的测量结果加权系数为零，由延时法得到Re估算值，紊流状态和过渡状态下由经验公式N＝1.66*log(Re)得到曲面特征参数N值。

6.根据权利要求1所述的一种双道混合型超声波流量测量方法，其特征在于：所述延时法和多普勒法传感器可以采用不同频率或编码。

7.一种双道混合型超声波流量计，包括四个传感器单元和一个电子装置，其特征在于：四个传感器单元位于一个通过管道轴线的平面上并固定安装在管道外壁上，通过导线与电子装置连接。

8.根据权利要求7所述的一种双道混合型超声波流量计，其特征在于：所述每一个传感器单元包括一延时法超声波换能器和多普勒法超声波换能器，所述延时法超声波换能器和多普勒法超声波换能器位于不同的轴线上。

9.根据权利要求7所述的一种双道混合型超声波流量计，其特征在于：所述电子装置包括延时法测量单元、多普勒法测量单元、测量信号判断单元、流量计算单元和流量输出单元，所述延时法测量单元和多普勒测量单元的测量信号输出给测量信号判断单元，所述测量信号经智能判断后输出给流量计算单元，经流量计算单元运算后将待测流体流量从流量输出单元输出显示。

10.根据权利要求7所述的一种双道混合型超声波流量计，其特征在于：调整管道外壁上传感器单元的位置，组成双Z型或双V型安装的延时法测量装置。

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