CN102322980A - 超声波热量表表体及其三维反射面位置参数的确定方法 - Google Patents

超声波热量表表体及其三维反射面位置参数的确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及超声波热量表结构技术领域，具体地说是一种三维多反射声道的时差法超声波热量表表体及其三维反射面位置参数的确定方法，其特征在于所述测量管为方形管道，测量管底面内壁上设有两个位置分别与两个换能器相对应的三维反射面，测量管的两个侧面内壁以及顶面内壁上分别设有一个反射壁面，使用于发射超声波的换能器发射的超声波依次经过三维反射面、侧壁反射壁面、顶壁反射壁面、另一侧壁反射壁面、另一三维发射面的反射后进入用于接收超声波的换能器，本发明与传统技术相比，可实现超声波全方位扫描方形管道内流体全部流通空间，无需流速分布和温度变化的修正，即可测得精度较高的流量及热量。

Description

超声波热量表表体及其三维反射面位置参数的确定方法
技术领域
 本发明涉及超声波热量表结构技术领域，具体地说是一种三维多反射声道的时差法超声波热量表表体及其三维反射面位置参数的确定方法。
背景技术
 时差法超声波热量表是目前应用最广泛的超声波热量表之一，其工作原理是:安装在流体管道同侧或两侧的超声波换能器交替发射和接收流体中声波信号，按一定的声波路径传播，测量顺逆流声波传播的时间差，经二次仪表数学运算后得出流量值及热量值。基于时差法测量出的是超声波声道上流体的线平均速度，它不能作为管道截面积上的面平均流速来计算流体的流量，必须在计算流量时，利用流速分布修正系数K对声道上的线平均流速进行修正。K系数为超声波声道上流体线平均流速与管道横截面上的流体面平均流速的比值，而K系数与超声波传播声道的设置方式及流体雷诺数和温度的变化有关。
现有市场的热量表多采用单声道传播方式，换能器的安装位置和声波传播路径一般采用平行式、Z型、V型及W型 ，这四种换能器安装位置所形成均是经过管道轴线的声程，均需要根据流体雷诺数和温度的变化进行K系数的修正补偿，否则难于实现在流量和温度较大变化范围内流量值及热量值的合格测量精度，尤其小流量下的测量精度更低，不能达到产品标准的要求，严重时甚至无法正常使用。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提出一种三维多反射声道超声波热量表体及其三维反射面位置参数的确定方法，用于实现无需进行流速分布系数K值和温度变化的修正补偿，即可在较大流量和温度变化范围内通过二次仪表对时差法进行数学运算，获得流量值及热量值较高的测量精度的目的。
本发明的技术措施是：
一种超声波热量表表体，包括一用于进行流量测量的水平放置的测量管，以及分别用于向测量管内流动液体发射或接收超声波的两个换能器，其中两个换能器固定在测量管管体顶部的管壁上，其特征在于所述测量管为方形管道，测量管底面内壁上设有两个位置分别与两个换能器相对应的三维反射面，测量管的两个侧面内壁以及顶面内壁上分别设有一个反射壁面，使用于发射超声波的换能器发射的超声波依次经过三维反射面、侧壁反射壁面、顶壁反射壁面、另一侧壁反射壁面、另一三维发射面的反射后进入用于接收超声波的换能器。
本发明通过上述结构，即在方形管道流量测量管的下部，采用由三维坐标设置的相对于发射或接收换能器的两个三维反射面，其与流动方向的左侧、右侧及上部的三个充分光滑反射壁面，构成三维空间多次反射声道，此声道可使超声波换能器发射或接收的超声波信号，由传统单声道经过管道轴线的传播声程发展到多维面传播声程，实现超声波全方位扫描方形管道内流体全部流通空间，从而减少流速分布的畸变影响，无需进行流量分布系数K值和温度变化的修正，即可在较大流量和温度变化范围内，经过二次仪表对时间差数学运算，获得流量值及热量值较高的测量精度。
一种三维多反射声道超声波热量表表体的三维反射面位置参数的确定方法，其特征在于包括以下步骤；
步骤1：建立三维反射面空间平面方程的数学模型，以方形管道中用于发射或接收超声波的换能器的超声波中心声道和位置与该换能器相对应的三维反射面的交点为原点0（X0，Y0，Z0），以该换能器的发射或接收声道线与其反射声道线的夹角的角平分线ON为该三维反射面的法线，设N点的坐标为N(A、B、C)，则N(A、B、C)点为法线ON与流体流向方向的左侧反射壁面的交点。
设L为发射或接收换能器的中心距，M和N分别为矩形管道横截面边长，即                                                
Figure 2011102576892100002DEST_PATH_IMAGE002
 ，且三维反射面4通过三维直角坐标系原点O（X0，Y0，Z0），其法线ON的方向数为：
Figure 2011102576892100002DEST_PATH_IMAGE004
Figure 2011102576892100002DEST_PATH_IMAGE006
Figure 2011102576892100002DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2011102576892100002DEST_PATH_IMAGE010
则用点法式获得表示三维反射面4的空间平面方程，即将A，B，C代入下式（1）中：
A(X-X0)+B(Y-Y0)+C(Z-Z0)=0 (A,B,C不同时等于零)---- ---(1)
求得三维反射面空间平面方程的数学模型为：
Figure 2011102576892100002DEST_PATH_IMAGE012
 ------------------(2)
步骤2：根据所得数学模型，计算该三维反射面法线的各方向角度数，即可确定该三维反射面的位置参数：
三维反射面4法线ON的方向余弦为：
Figure 2011102576892100002DEST_PATH_IMAGE014
 ---------------(3)
 ---------------(4)
Figure 2011102576892100002DEST_PATH_IMAGE018
 ----------------(5)
式（3）、（4）、（5）中的夹角a、b、c  ,分别为所求三维反射面的法线ON与三维坐标X、Y、Z轴的夹角，称之为ON的方向角，
由上述公式（2）、（3）、（4）、（5）即可确定三维多反射声道的两个三维反射面的位置参数。
本发明中由多反射面形成的多反射声道传播路径，是通过方形管道测量管的截面边长和发射或接收超声波换能器的中心距参数确定的，在使用过程中，需要先通过不同流量下的实验数据确定方形管道的截面边长和两个换能器的中心距，然后将测得的参数按上述算法进行运算，获得最终值。
本发明采用一种三维多反射声道的超声波热量表表体及其三维反射面位置参数的确定方法，与传统单声道超声波经过管道轴线的传播路径相比，可实现超声波全方位扫描方形管道内流体全部流通空间，能够在较大流量和温度变化范围内，即在量程比25：1情况下以及20℃至85℃温度变化范围内，经CFD仿真和测试表明，流量值及热量值的测量精度可达到1%。
附图说明：
附图1是本发明的正视图。
附图2是本发明的左视图。
附图3是本发明的俯视图。
附图标记：测量管1、换能器2、换能器3、三维反射面4、三维反射面5、反射壁面6、反射壁面7、反射壁面8。
具体实施方式：
    下面结合附图对本发明作进一步的说明：
本发明提出了一种三维多反射声道的超声波热量表表体，包括方型管道流量测量管1，用于发射超声波的换能器2、用于接收超声波的换能器3，其中方形测量管1底面内壁测量管底面内壁上设有两个位置分别与两个换能器相对应的表面光滑的三维反射面4以及三维反射面5，测量管1的两个侧面内壁以及顶面内壁上分别设有光滑的反射壁面6、反射壁面7、反射壁面8，使用于发射超声波的换能器2发射的超声波依次经过三维反射面4、侧壁的反射壁面6、顶壁的反射壁面8、另一侧壁的反射壁面7、另一三维反射面5的反射后进入用于接收超声波的换能器3。
本发明中所述三维反射面4以及三维反射面5是固定在方形管道内底面上的轮廓线为椭圆形的空间平面。
本发明在方形流量测量管1的下部，采用由三维坐标设置的相对于发射或接收换能器的两个三维反射面，其与流动方向的左侧、右侧及上部的三个光滑的反射壁面，构成三维空间多次反射声道，此声道可使超声波换能器发射或接收的超声波信号，由传统单声道经过管道轴线的传播发展到多维面传播声程，实现超声波全方位扫描方形管道内流体全部流通空间，从而减少流速分布的畸变影响，无需进行流量分布系数K值和温度变化的修正，即可在较大流量和温度变化范围内，经二次仪表对时间差数学运算，获得流量值及热量值较高的测量精度。
本发明还提出了一种三维反射面位置参数的确定方法，其特征在于包括以下步骤；
步骤1：建立三维反射面空间平面方程的数学模型，以方形管道中用于发射或接收超声波的换能器的超声波中心声道和位置与该换能器相对应的三维反射面的交点为原点0（X0，Y0，Z0），以该换能器的发射或接收声道线与其反射声道线的夹角的角平分线ON为该三维反射面的法线，设N点的坐标为N(A、B、C)，则N(A、B、C)点为法线ON与流体流向方向的左侧反射壁面的交点。
设L为发射或接收换能器的中心距，M和N分别为矩形管道横截面边长，即 
Figure 682827DEST_PATH_IMAGE002
 ，且三维反射面4通过三维直角坐标系原点O（X0，Y0，Z0），其法线ON的方向数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
则用点法式获得表示三维反射面4的空间平面方程，即将A，B，C代入下式（1）中：
A(X-X0)+B(Y-Y0)+C(Z-Z0)=0 (A,B,C不同时等于零)---- ---(1)
求得三维反射面空间平面方程的数学模型为：
Figure 350700DEST_PATH_IMAGE012
 ------------------(2)
步骤2：根据所得数学模型，计算该三维反射面法线的各方向角度数，即可确定该三维反射面的位置参数：
三维反射面4法线ON的方向余弦为：
Figure 130437DEST_PATH_IMAGE014
 ---------------(3)
Figure 463330DEST_PATH_IMAGE016
 ---------------(4)
Figure 277702DEST_PATH_IMAGE018
 ----------------(5)
式（3）、（4）、（5）中的夹角a、b、c  ,分别为所求三维反射面的法线ON与三维坐标X、Y、Z轴的夹角，称之为ON的方向角，
由上述公式（2）、（3）、（4）、（5）即可确定三维多反射声道的两个三维反射面的位置参数。
本发明中由多反射面形成的多反射声道传播路径，是通过方形管道测量管的截面边长和发射或接收超声波换能器的中心距参数确定的，在使用过程中，需要先通过不同流量下的实验数据确定方形管道的截面边长和两个换能器的中心距，然后将测得的参数按上述算法进行运算，获得最终值。
本发明采用一种三维多反射声道的超声波热量表表体及其三维反射面位置参数的确定方法，与传统单声道超声波传播路径相比，可实现超声波全方位扫描方形管道内流体全部流通空间，能够在较大流量和温度变化范围内，即在量程比25：1情况下以及20℃至85℃温度变化范围内，经CFD仿真和测试表明，流量值及热量值的测量精度可达到1%。

Claims (2)

1. 一种超声波热量表表体，包括一用于进行流量测量的水平放置的测量管，以及分别用于向测量管内流动液体发射或接收超声波的两个换能器，其中两个换能器固定在测量管管体顶部的管壁上，其特征在于所述测量管为方形管道，测量管底面内壁上设有两个位置分别与两个换能器相对应的三维反射面，测量管的两个侧面内壁以及顶面内壁上分别设有一个反射壁面，使用于发射超声波的换能器发射的超声波依次经过三维反射面、侧壁反射壁面、顶壁反射壁面、另一侧壁反射壁面、另一三维发射面的反射后进入用于接收超声波的换能器。
2.一种根据权利要求1所述的超声波热量表表体的三维反射面位置参数的确定方法，其特征在于包括以下步骤；
步骤1：建立三维反射面空间平面方程的数学模型，以方形管道中用于发射或接收超声波的换能器的超声波中心声道和位置与该换能器相对应的三维反射面的交点为原点0（X0，Y0，Z0），以该换能器的发射或接收声道线与其反射声道线的夹角的角平分线ON为该三维反射面的法线，设N点的坐标为N(A、B、C)，则N(A、B、C)点为法线ON与流体流向方向的左侧反射壁面的交点，
设L为发射或接收换能器的中心距，M和N分别为矩形管道横截面边长，即                                                
Figure 2011102576892100001DEST_PATH_IMAGE002
 ，且三维反射面4通过三维直角坐标系原点O（X0，Y0，Z0），其法线ON的方向数为：
Figure 2011102576892100001DEST_PATH_IMAGE004
Figure 2011102576892100001DEST_PATH_IMAGE006
Figure 2011102576892100001DEST_PATH_IMAGE008
Figure 2011102576892100001DEST_PATH_IMAGE010
则用点法式获得表示三维反射面4的空间平面方程，即将A，B，C代入下式（1）中：
A(X-X0)+B(Y-Y0)+C(Z-Z0)=0 (A,B,C不同时等于零)---- ---(1)
求得三维反射面空间平面方程的数学模型为：
Figure 2011102576892100001DEST_PATH_IMAGE012
 ------------------(2)
步骤2：根据所得数学模型，计算该三维反射面法线的各方向角度数，即可确定该三维反射面的位置参数：
三维反射面4法线ON的方向余弦为：
Figure 2011102576892100001DEST_PATH_IMAGE014
 ---------------(3)
 ---------------(4)
Figure 2011102576892100001DEST_PATH_IMAGE018
 ----------------(5)
式（3）、（4）、（5）中的夹角a、b、c  ,分别为所求三维反射面的法线ON与三维坐标X、Y、Z轴的夹角，称之为ON的方向角，
由上述公式（2）、（3）、（4）、（5）即可确定三维多反射声道的两个三维反射面的位置参数。
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