CN102829830B - 用于超声波流量检测中检测超声波传播速度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法及装置，该方法中使待测气体在流过测量管的布置有超声波换能器组的管段时自由扩散到静速管中，该静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器，根据静速管上超声波换能器的布局获得超声波在静速管中传播的声程，由静速管中的超声波换能器发射并接收超声波以获得超声波在声程中的实际传播时间，由声程除以超声波在静速管中的实际传播时间即可得到超声波传播速度。本发明所提供的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法及装置实现对超声波传播速度的在线检测，提高测量的准确度。

Description

用于超声波流量检测中检测超声波传播速度的方法及装置

技术领域

本发明属于气体流量测量技术领域，具体涉及一种用于在时差法超声波流量检测中在线检测超声波声速的方法及装置。

背景技术

超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时流体的流速信息来测量流体流量的测量技术，它具有非接触式测量、测量精度高、测量范围宽、安装维护方便等特点。根据对信号检测的原理，目前时差法超声波流量检测装置大致可分为时差法、频差法、波束偏移法、多普勒法等类型，其中应用最广泛的基于时差法的流量检测装置。

事实上，因为超声波信号在流体介质中与静态介质相比，顺流时超声波信号的传播速度增加，传播时间减小，逆流时超声波信号的传播速度减小，传播时间增加，从而使得顺逆流方向超声波信号的传播时间存在时间差。而时差法超声流量计就是根据流体介质的流速与时间差存在线形关系原理进行测量的，因此只要准确测定顺流时间和逆流时间，根据流体介质的流速与顺流时间和逆流时间的线形关系，可以求出流体介质的流速，进而求出待测气体的流量。如在申请公布号为CN101886939A的中国发明专利申请中公开了一种时差法超声流量计，该超声流量计包括测量管，在测量管的管段上沿测量管轴向、且呈对射结构布置有两个收发一体、且相互交替地对应作为发射元件和接收原件的两个超声波换能器，记时间差为Δt，Δt＝t₂-t₁，其中t₂为逆流时间，t₁为顺流时间，其中， 则得到如下方程式：

$\mathrm{\Δt}=\frac{S}{C_f-v^{\′}}-\frac{S}{C_f+v^{\′}}---\left(1\right)$

Δt=t₂-t₁                                    （2）

v′=vf(θ)                                   （3）

其中，τ表示超声波信号在超声波换能器及电路中的时间延迟，t₂-t₁可以消除τ的影响，S为根据超声波流量检测装置中超声波换能器组的布局所测量得到的传播声程，C_f为超声波在流体介质中的传播速度，θ为声道角，v为流体介质的流速，v′则是流体介质的流速在超声波传播方向上的分速度，f(θ)为三角函数。对于上述方程式（1）和（2）来讲，流体介质的流速v与Δt、S、C_f、及f(θ)有关，其中S和f(θ)都是在超声波流量计结构一定的情况下就可以直接测量得到，只需要测量计算Δt和C_f即可，而Δt可以通过t₂-t₁测量计算得到，只有C_f需要补偿计算才能得到。

上述所引用的专利对比文件中所采用的超声波流量检测装置的测量管上的超声波换能器呈对射结构布置，而在实际测量时，测量管上的超声波换能器还可以呈V型反射结构或其他结构布置，而当采用其他布置形式而计算顺流时间及逆流时间时，在公式及中发生变化的就是声程S和流体介质的流速在超声波传播方向上的分速度v′，而声程S及f(θ)根据具体的布置形式均可以直接测量得到。所以无论采用哪种布置形式，最终还需要确定超声波在流体介质中的传播速度C_f。

而超声波在流体介质中的传播速度C_f超声波速度受到各种环境因素的影响，包括待测气体组分、温度、压力等，在常见的环境因素中，温度对超声波速度的影响是最严重的，而压力对超声波速度也有比较重要的影响。所以必须进行各种补偿计算才能得出计算出超声波在流体介质中的传播速度C_f，比如，在空气中，温度对超声波声速的影响可按照公式c_air＝331.45+0.61t（t摄氏温度）计算，而压力对声速的影响可根据公式（v是声波在待测气体中的速度，k是待测气体绝热系数，p是待测气体压强，ρ是待测气体密度）来衡量。而待测气体组分对超声波在流体介质中的传播速度C_f的影响目前仅仅通过超声波流量装置自身还无法实现，只能通过现场标定来解决而管道待测气体组分是变化的，对超声波流量装置实现准确测量带来了很大的难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法，以解决现有技术中需要针对各种环境因素进行补偿计算才能得出真实的超声波在流体介质中传播速度而影响测量精度的技术问题；同时，本发明还提供一种用于实施上述检测方法的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置。

为实现上述目的，本发明所提供的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法采用如下技术方案：一种用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法，包括如下步骤：

①、在时差法超声波流量检测中所用的测量管上连通静速管，使待测气体在流过测量管的布置有超声波换能器组的管段时自由扩散到静速管中，该静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器；

②、根据静速管上超声波换能器的布局获得超声波在静速管中传播的声程，由静速管中的超声波换能器发射并接收超声波以获得超声波在声程中的实际传播时间，由声程除以超声波在静速管中的实际传播时间即可得到超声波传播速度。

所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替地对应作为发射和接收元件。

所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管上的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

本发明所提供的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置采用如下技术方案：一种用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置，包括使用时固连在时差法超声波流量检测中所用的测量管上、并与测量管的布置有超声波换能器组的管段相连通以供该管段中流过的待测气体自由扩散的静速管，在静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波以用于测量超声波传播速度的超声波换能器。

所述的静速管通过扩散管与测量管相连通，所述扩散管与所述的测量管上设有超声波换能器组的管段相连通。

所述的静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管中的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

所述的静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管中的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替地对应作为发射和接收元件。

所述的静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管中的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

本发明的有益效果是：本发明所提供的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法中，使待测气体在流过测量管的管段时自由扩散到与该管段连通的静速管中，因为是自由扩散，这样在静速管中不存在压差，从而可以在静速管中直接测量得到的超声波在测气体中的传播速度C_f，由于静速管和测量管的环境因素如气体组分、温度、压力等均一致，可以认为在静速管中测量计算得到的超声波传播速度C_f即为超声波在测量管中的待测气体静态下的传播速度，避免气体组分对超声波传播速度C_f测量计算时的影响，省去需要进行针对各环境因素而进行的补偿计算，实现时差法超声波测气体流量的自补偿，使得可以快捷、准确的得到超声波传播速度C_f。本发明所提供的检测超声波传播速度的方法实现了在线检测，保证静速管中的气体和测量管中的待测气体始终处于同一状态下，提高测量的准确度。

本发明所提供的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置中，将静速管固连在测量管上，并使得静速管与测量管上安装有超声波换能器组的管段相连通，测量时，测量管的管段中的待测气体自由扩散到静速管中，静速管所处的环境因素如气体组分、温度、压力等因素与测量管中的环境因素一致，在静速管中所测量计算得的超声波传播速度即为超声波在测量管的气体中的传播速度，这样通过在静速管直接测量超声波在待测气体中的传播速度来消除气体组分、温度、压力等因素的影响，实现自补偿功能，省去现有技术中需要考虑到各种环境因素而做的各种补偿计算。本发明所提供的检测超声波传播速度的装置实现了在线检测，保证静速管中的气体和测量管中的待测气体始终处于同一状态下，提高测量的准确度。

附图说明

图1是本发明所提供的时差法超声波流量检测装置的结构示意图。

具体实施方式

一种时差法超声波流量检测方法的实施例，该实施例中的检测方法包括如下步骤：

①、在待测气体流过测量管时，由布置在测量管的管段上的超声波换能器组测量出超声波在管段中顺流传播时的顺流时间t₁及逆流传播时的逆流时间t₂；待测气体在流过测量管的布置有超声波换能器组的管段时自由扩散到静速管中，该静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器，根据静速管上超声波换能器的布局获得超声波在静速管中传播的声程，由静速管中的超声波换能器发射并接收超声波以获得超声波在声程中的实际传播时间，由声程除以超声波在静速管中的实际传播时间即可得到超声波传播速度C_f；

②、将步骤一中所测得的t₁、t₂、C_f代入下述方程中以求得待测流体在测量管中的流速v，进而得到待测流体的流量，

$\mathrm{\Δt}=\frac{S}{C_f-v^{\′}}-\frac{S}{C_f+v^{\′}}---\left(1\right)$

Δt＝t₂-t₁                                        （2）

v′＝vf(θ)                                       （3）

其中，S为超声波在测量管中传播的声程，v′则是流体介质的流速v在超声波传播方向上的分速度，f(θ)为三角函数，S和f(θ)均根据测量管中超声波换能器组的布局而获得。

在上述方法中同时还提供了一种用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法，包括如下步骤：

③、在时差法超声波流量检测中所用的测量管上连通静速管，使待测气体在流过测量管的布置有超声波换能器组的管段时自由扩散到静速管中，该静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器；

④、根据静速管上超声波换能器的布局获得超声波在静速管中传播的声程，由静速管中的超声波换能器发射并接收超声波以获得超声波在声程中的实际传播时间，由声程除以超声波在静速管中的实际传播时间即可得到超声波传播速度C_f。

上述两个检测方法中静速管的布局可以根据实际情况设置，例如可以采用下述三种布局形式：

静速管上的超声波换能器的布局1为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

静速管上的超声波换能器的布局2为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替地对应作为发射和接收元件。

静速管上的超声波换能器的布局3为：所述静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管上的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

在上述列举的布局1和布局2中，静速管上的超声波换能器均采用对射结构，在其他实施例中，静速管上的超声波换能器还可以采用V型反射结构布局或其他布局，只要可以测量出超声波在静速管中的声程及传播时间即可。

另外，在上述检测方法中，超声波在静速管中的实际传播时间是由测量到的超声波在静速管中的发射元件和接收元件之间的传播时间减去测量电路中的延迟时间而得到的。

上述时差法超声波流量检测方法适用于煤矿瓦斯抽放管道和天然气计量，也适用于其他环境下的气体流量计量。

下面结合附图介绍用于实施上述两种方法的装置。

如图1所示，一种用于实施时差法超声波流量检测方法的时差法超声波流量检测装置的实施例，该实施例中的检测装置包括测量管2，在测量管2的管段上布置有用于测量超声波在待测气体中顺流传播时的顺流时间及逆流传播时的逆流时间的超声波换能器组，该超声波换能器组包括两个收发一体、且交替地对应作为发射和接收元件的超声波换能器1，此处两个收发一体的超声波换能器1呈V型反射结构沿测量管轴向布置的测量管上。所述的测量管2上固连有与测量管上设有超声波换能器组的管段相连通、且供该管段中的待测气体自由扩散的静速管3，静速管3通过扩散管5固连在测量管2上，且静速管3通过扩散管与测量管的安装有超声波换能器组的管段相连通，此处的扩散管沿静速管轴向布置有两个，且这两个扩散管相距较近以防止静速管中出现气体波动。在静速管3上布置有向静速管中发射并接收超声波以用于测量超声波传播速度的超声波换能器4。此处的静速管中的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器4在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

同时，在图1中还公开了一种用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置的实施例，该实施例中的装置包括使用时固连在时差法超声波流量检测中所用的测量管2上、并与测量管的布置有超声波换能器组的管段相连通以供该管段中流过的待测气体自由扩散的静速管3，静速管3通过扩散管5固连在测量管2上，且静速管通过扩散管与测量管的安装有超声波换能器组的管段相连通，此处的扩散管沿静速管轴向布置有两个，且这两个扩散管相距较近以防止静速管中出现气体波动。在静速管3上布置有向静速管中发射并接收超声波以用于测量超声波传播速度C_f的超声波换能器4，此处的静速管中的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

上述两个实施例中，测量管中的超声波换能器组中的两个超声波换能器呈45°V型布置，在其他实施例中，也可以呈其他角度的V型布置。或者采用如Z型或X型等其他布局结构，只要可以测得相应的超声波的顺流时间和逆流时间即可。或者还可以在测量管上于两个呈V型布置的超声波换能器的正对侧正中位置处即超声波反射位置处布置有作为接收元件的超声波传感器，这种在测量管上布置三个超声波换能器的形式可以消除整个超声波检测装置因自身装置所带来的时间延迟，可以最大程度的提高顺流时间和逆流时间的测量精度。

上述两个实施例中，测量管中的超声波换能器组中的两个超声波换能器呈V型反射结构布置，在其他实施例中，也可以采用现有技术中的呈与测量管轴向倾斜相交的对射结构的布置形式，不会影响其测量结果。

上述两个实施例中，测量管中的超声波换能器组中的两个超声波换能器呈V型反射结构布置，在其他实施例中，也可以采用现有技术中的呈X型双声道布置的四个超声波换能器的布置形式。测量管上的四个呈X型布置的超声波换能器均为收发一体结构，因为四个超声波换能器组成两个测量声道，这样对于每一个声道来讲，只要有一个发射元件和一个接收元件即可，当然，四个超声波换能器也可以单独为发射元件或接收元件，只要不影响测量超声波在测量管的流体中传播时的顺流时间和逆流时间即可。

上述两个实施例中，静速管上的超声波换能器的布局还可以为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替地对应作为发射和接收元件。

或者采用如下布局：所述静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管上的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

在上述列举的布局中，静速管上的超声波换能器均采用对射结构，在其他实施例中，静速管上的超声波换能器还可以采用V型反射结构布局或其他布局，只要可以测量出超声波在静速管中的声程及传播时间即可。

本发明所提供的测量超声波传播速度的方法和装置实现了超声波在被测气体中传播时的直接测量，通过静速管保证了所测量的声速的准确性，测量方法及装置简单可靠。

Claims (9)

1.一种用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

①、在时差法超声波流量检测中所用的测量管上连通静速管，使待测气体在流过测量管的布置有超声波换能器组的管段时自由扩散到静速管中，所述静速管中不存在压差，所述静速管通过扩散管固连在测量管上，该静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器；

②、根据静速管上超声波换能器的布局获得超声波在静速管中传播的声程，由静速管中的超声波换能器发射并接收超声波以获得超声波在声程中的实际传播时间，由声程除以超声波在静速管中的实际传播时间即可得到超声波传播速度。

2.根据权利要求1所述的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

3.根据权利要求1所述的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管上的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替地对应作为发射和接收元件。

4.根据权利要求1所述的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的方法，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器的布局为：所述静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管上的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。

5.一种用于实施如权利要求1所述方法的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置，其特征在于，包括使用时固连在时差法超声波流量检测中所用的测量管上、并与测量管的布置有超声波换能器组的管段相连通以供该管段中流过的待测气体自由扩散的静速管，测量时待测气体在流过测量管时自由扩散到静速管中，所述静速管中不存在压差，在静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波以用于测量超声波传播速度的超声波换能器。

6.根据权利要求5所述的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置，其特征在于，所述的静速管通过扩散管与测量管相连通，所述扩散管与所述的测量管上设有超声波换能器组的管段相连通。

7.根据权利要求5或6所述的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管中的两个超声波换能器中的其中一个为发射元件、另一个为接收元件。

8.根据权利要求5或6所述的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器在静速管轴向两端布置有两个，所述静速管中的两个超声波换能器呈收发一体结构、且相互交替地对应作为发射和接收元件。

9.根据权利要求5或6所述的用于时差法超声波流量检测中在线检测超声波传播速度的装置，其特征在于，所述的静速管上的超声波换能器呈收发一体结构，所述静速管中的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管轴向一端，在静速管轴向另一端布置有用于反射从超声波换能器中发射的超声波的反射部。