CN102879060A - 超声流量计延时检测校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声流量计延时检测校准装置，其包括水槽，其具有收纳空间；至少一个滑轨系统，该滑轨系统位于所述水槽的收纳空间中；第一超声探头和第二超声探头为被测流量计的一对超声探头；第一超声探头，其固定于滑轨系统的固定探头夹装机构上；第二超声探头，其固定于滑轨系统的滑动探头夹装机构上；其特征在于：在第一超声探头和第二超声探头之间的第一距离处，获得流量计第一数据；在第一超声探头和第二超声探头之间的第二距离获得流量计第二数据，通过第一数据和第二数据的计算获得超声流量计的延时校准数据。该装置可广泛适用于超声流量计产品的通用性时间测量准确度检测装置，且具有较高的计量准确性。

Description

超声流量计延时检测校准装置

技术领域

本发明涉及一种检测装置，尤其是一种对超声流量计的探头声楔和计时系统延时进行检测校准的装置。

背景技术

超声流量计被广泛用于流量测量领域，特别是在大口径管道水流量(如水电站)、方涵流量以及明渠流量测量等方面，已成为主要测量手段。流量计的准确度往往是使用者最为关心的技术指标。对于超声流量计计量性能的检测方法通常包含2大类：实流标定及非实流标定。

实流标定是目前较为通用的检测方法，它是使用流量标准装置，产生并得到标准流量信号，通过与被测流量计示值对比进行检测，该方法具有较高准确度，但该方法受限于流量标准装置的测量范围及安装条件，一般对于管径超过3m流量计、需现场安装换能器的流量计及非圆管型流量计无法进行检测；另外，实流标定需要在实验室进行，成本相对较高，对于流量计生产企业大规模的出厂检测经济压力较大。

非实流标定是近年来发展起来的一项超声流量计检测技术，包含对影响流量计计量准确性的多个物理量的检测，是通过校准超声流量计计算公式(1)中的各个分量及计算公式的准确性来检测和校准流量计，需校准分量包括超声传播平均时间

探头声楔内延时和计时系统延时是超声传播平均时间

测量误差的主要来源。如图1所示，单声路超声流量计由一对超声探头组成，两探头在一条直线上并且和管道轴线成一定角度。超声信号在两探头间对发，当液体静止时，两个方向上超声传播时间相同，若液体流动，则液体流速在声路线方向有一分量，使超声信号在顺流和逆流方向上的传播时间t_u，i和t_d，i有所差异，根据这一时间差的大小即可计算出声路线上的轴向平均流速。

$\stackrel{\‾}{v_i}=\frac{L_i}{2{\cos \mathrm{\φ}}_i}(\frac{1}{t_{u,i}}-\frac{1}{t_{d,i}})\≈\frac{L_i}{{2\cos \mathrm{\φ}}_i}\frac{{\mathrm{\Δt}}_i}{{\stackrel{\‾}{t_i}}^2}---\left(1\right)$

式中L_i为声路长度，φ_i为声路角，

和Δt_i为顺逆流方向超声传播平均时间和时间差。

现有技术中涉及的分量检测方法均针对时间差Δt_i的检测方法，如“超声波流量计静态传输时间差实液标定装置”(CN1389711A)、“超声波流量计的干校验方法及其装置”(CN1172948A)，并无针对超声传播平均时间的检测和校准方法。

因此，需要研制高精度超声流量计延时检测校准装置以对超声流量计系统延时进行测量，实现超声流量计时间测量准确性的检测和校准。

发明内容

本发明的目的是建立一套高精度超声流量计计时系统测量误差检测装置，可广泛适用于超声流量计产品的通用性时间测量准确度检测装置，且具有较高的计量准确性。

本发明提供了一种超声流量计延时检测校准装置，其包括水槽，其具有收纳空间；至少一个滑轨系统，该滑轨系统位于所述水槽的收纳空间中；第一超声探头和第二超声探头为被测流量计的一对超声探头；第一超声探头，其固定于滑轨系统的固定探头夹装机构上；第二超声探头，其固定于滑轨系统的滑动探头夹装机构上；其特征在于：在第一超声探头和第二超声探头之间的第一距离处，获得流量计第一数据；在第一超声探头和第二超声探头之间的第二距离获得流量计第二数据，通过第一数据和第二数据的计算获得超声流量计的延时校准数据。

其中，该水槽内具有液体，且该水槽具有保温层。

其中，该水槽具有注水口和排水口。

其中，该装置进一步包括多个温度传感器，其分别探测水槽中不同位置处的液体温度，该多个温度传感器探测得到的温度数据输出到温度采集器。

其中，在所述滑动探头夹装机构的中部与固定探头夹装机构的中部均有半球型顶头。

其中，通过在滑动探头夹装机构的半球型顶头与固定探头夹装机构的半球型顶头之间设置第一长度的石英棒获得第一距离。

其中，通过在滑动探头夹装机构的半球型顶头与固定探头夹装机构的半球型顶头之间设置第二长度的石英棒获得第二距离。

其中，所述第一超声探头和第二超生探头均通过线路连接到被测超声流量计主机。

本发明的装置具有较大的通用性，适用于不同厂家的流量计，解决了非实流校准中关键技术问题，可在计量检测机构及超声流量计生产厂家中推广使用。

附图说明

图1超声流量计测速原理图；

图2本发明的超声流量计延时检测校准原理示意图；

图3本发明的超声流量计延时检测校准装置示意图；

图4滑轨系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并结合实际实施例，对本发明进一步详细说明，下述的实施方式只是为了便于理解本发明，而不应当理解为对发明内容的具体限定。

如图2所示，采用一对超声流量计探头在不同距离下，进行测量，其中流量计探头安装在探头夹装机构上，通过使用石英棒及探头夹装机构进行距离定位，对探头间的距离能够精确的控制，距离控制精度在±0.1mm以内。由于水温恒定的静水中超声声路一致，在静水恒温条件下，声速的测量可以由距离和时间直接得到，

$c=\frac{L_1}{t_1}=\frac{L_2}{t_2}---\left(2\right)$

式中，L₁和L₂分别为两个标准距离，t₁和t₂为对应的标准时间。由于超声流量计探头对测量时间存在系统延时δt，故其测到的时间t₁′和t₂′与标准时间不同，

$\frac{L_1}{{t_1}^{\′}-\mathrm{\δt}}=\frac{L_2}{{t_2}^{\′}-\mathrm{\δt}}---\left(3\right)$

由此可以直接得到探头的系统延时，

$\mathrm{\δt}=\frac{L_1{t_2}^{\′}-L_2{t_1}^{\′}}{L_1-L_2}---\left(4\right)$

系统延时δt来自于探头前端的匹配层、保护层厚度、电缆长度、硬件电路运算以及声波检出算法，每个探头对都会有所差异，且同一对探头交换收发端之后延时也会不同。其中，同一对探头交换收发的延时差异Δ(δt)直接影响声道速度的测量，由于在实际测量过程中，需要使用多组探头对进行流速测量，那么不同探头对的延时都将对流量测量造成一定影响。系统延时δt应在微秒量级，不同探头对的延时差异在纳秒量级，可以通过离线测量所有探头对的延时，来评估流量计的测时不确定度。

虽然本装置采用保温水槽，但是对于在两次测量过程中温度变化较大的情况，可以采用温度修正提高测量准确度。由于温度的标示和时间一致，因此采用符号k表示温度，单位为摄氏度。增加温度修正后式(3)变为

$c_1=c_0(1+B_1{k}_1+B_2{k_1}^2)=c_{0}f\left(k_1\right)=\frac{L_1}{t_1+\mathrm{\Δt}}$

$c_2=c_0(1+B_1{k}_2+B_2{k_2}^2)=c_{0}f\left(k_2\right)=\frac{L_2}{t_2+\mathrm{\Δt}}$

其中，c₀是在温度k＝0℃时的静水声速，通过对不同温度下水中声速的数据进行拟合，可以得到下式中的B₁和B₂，在实际测量时可以通过缩小拟合曲线的范围来增加拟合精度。(对于纯水c₀＝1403.17833m/s，B₁＝4.79203，B₂＝-0.04164)

c＝c₀(1+B₁k+B₂k²)＝c₀f(k)

由此可由上述公式推出

$c_0=\frac{L_1}{(t_1+\mathrm{\Δt})f\left(k_1\right)}$

$c_0=\frac{L_2}{(t_2+\mathrm{\Δt})f\left(k_2\right)}$

$\⇒\mathrm{\Δt}=\frac{f\left(k_2\right)L_1{t}_2-f\left(k_1\right)L_2{t}_1}{f\left(k_1\right)L_2-f\left(k_2\right)L_1}$

$=\frac{f\left(k_2\right)L_1{t}_2-f\left(k_1\right)L_2{t}_2+f\left(k_1\right)L_2{t}_2-f\left(k_1\right)L_2{t}_1}{f\left(k_1\right)L_2-f\left(k_2\right)L_1}=\frac{f\left(k_1\right)L_2(t_2-t_1)}{f\left(k_1\right)L_2-f\left(k_2\right)L_1}-t_2---\left(5\right)$

实施例1

如图3所示的装置包括一水槽1，该水槽1为密闭容器，优选该密闭容器为不锈钢或防腐、防潮类材料制成，在其内部具有预定的收纳空间，且在该水槽1上具有带开关的注水口2和带开关功能的排水口3，水槽1通过注水口2注入液体，当液体注满水槽1时，自动从该排水口3的位置处溢出，该被注入的液体可以是水或其它实际工业生产中需要通过流量管道输送的液体。该液体为能够通过超声流量计测速的一切合适的液体。

如图3所示，水槽1为保温水槽，如能进行温度控制则更佳，其可以避免在测量时产生过大的温度变化，影响测量的准确性，在该水槽1中设置有多个温度传感器11，其分别探测水槽1中不同位置处的液体温度，多个温度传感器11探测得到的温度数据输出到温度采集器12中；对于滑动被测超声探头5和固定被测超声探头6来说，均通过线路连接到被测超声流量计主机7。

在该水槽1中具有一条滑轨系统4，该滑轨系统4为具有极高直线度的轨道，在该滑轨系统4的滑轨上具有1个滑动探头夹装机构8和1个固定探头夹装机构9，在滑动探头夹装机构8的顶部固定有超声探头5，在固定探头夹装机构9的顶部固定有超声探头6。其中，该固定探头夹装机构9在滑轨上被固定在一预定位置，其位置保持固定不变，滑动探头夹装机构8相对于固定探头夹装机构9在滑轨上位置可相对发生移动，以图1所示的水平方向为例，固定探头夹装机构9位于滑轨的右侧位置，滑动探头夹装机构8可相对固定探头夹装机构9向左移动任意的预定距离；当然，作为图1中未示出的情况，固定探头夹装机构9位于滑轨的左侧位置，滑动探头夹装机构8可相对固定探头夹装机构9向右移动任意的预定距离；只要保证滑动探头夹装机构8与固定探头夹装机构9的滑动距离能够达到实验中所需的最大长度即可。

对于具体的探头夹装机构来说，如图4所示，探头夹装机构的顶部为探头夹装板和探头锁紧螺栓，通过该夹装板可将超声流量计探头夹持定位，探头锁紧螺栓用于将超声流量计探头固定；在探头夹装机构的中部为半球型顶头，半球型顶头后部有弹簧，通过弹簧将该半球型顶头顶紧，且半球形顶头与探头夹装板间的相对位置不变；在滑动探头夹装机构8下部为一滑块，可以使用锁紧螺栓将其固定在滑轨上。在所述滑动探头夹装机构8与固定探头夹装机构9相对的中部有半球型顶头，将固定探头夹装机构9进行定位后，通过调整滑动探头夹装机构8至预定位置处，使得所述滑动探头夹装机构8与固定探头夹装机构9相对的半球型顶头夹紧石英棒10，该石英棒约10mm长，石英棒两端为平面，并且两平面具有极高的平行度，优选该石英棒可替换为其它的具有平整端面且具有精确长度的量具，使用石英棒10装卡在滑动探头夹装机构8与固定探头夹装机构9间用于滑块间距的精确控制，将被测流量计的两探头放入探头夹装机构的探头夹装板中，将安装在滑动探头夹装机构8与固定探头夹装机构9上的两超声探头端面和另外一根两端面平行的约10mm长的石英棒两端贴合，并锁紧超声探头；此时，如果两根石英棒长度完全相同，则超声探头之间的距离与两个夹装机构之间的距离相同，超声探头之间的移动距离与夹装机构的移动距离同步，夹装机构在滑动轨道上的长度变化同步对应超声探头的长度变化；另外，如果两根石英棒的长度不完全相同时，通过两根短石英棒的长度差即可确定探头间距和探头夹装机构间距的相对差异。

滑动探头夹装机构8与固定探头夹装机构9的位置固定后，两个探头的距离也精确测定，开始测量并读取流量计数据；之后，松开滑动探头夹装机构的锁紧螺栓，滑动夹装机构，将一根长度为150-300mm的石英棒装卡在探头夹装机构间，顶紧锁死，通过前述的两根短石英棒和此时夹装的石英棒可以计算出探头间的实际距离；等待水箱内水静止且水温稳定后，开始测量并读取流量计数据；改变两探头夹装机构间的距离，将石英棒更换为一根长800-1200mm的石英棒，将滑动夹装机构顶紧锁死后，等待水箱内水静止且温度稳定后，开始测量并读取流量计数据；根据公式(4)或公式(5)计算得到超声流量计计时系统误差大小。

实施例2

作为本发明的另一实施方式，其结构与实施例1中相同的内容，在此不再赘述，在该实施例2中，在水槽中可具有多个平行排列的滑轨系统，在滑轨系统上设置一对探头夹装机构及超声流量计探头，多个滑轨系统可同时对多对超声流量计探头对进行测量，在测量时先进行超声探头定位，使用一根长约10mm的石英棒夹装在固定探头夹装机构和滑动探头夹装机构之间，顶紧并将滑动探头夹装机构固定在滑轨上；将被测流量计的两探头放入探头夹装机构的夹装板中，将两探头端面和另外一根两端面平行的约10mm长的石英棒两端贴合，并锁紧超声探头；此时通过两根短石英棒的长度差即可确定探头间距和探头夹装机构间距的相对差异；松开滑动探头夹装机构的锁紧螺栓，滑动夹装机构，采用相同的方法逐序的对各个滑轨系统上的超声探头进行定位。之后，将一根长度为150-300mm的石英棒装卡在探头夹装机构间，顶紧锁死，通过两根短石英棒和此时夹装的石英棒可以计算出探头间的实际距离，等待水箱内水静止且水温稳定后，开始测量并读取流量计数据，在多个滑轨系统上重复该步骤，获得对应的探头间的实际距离以及获得测量数据；改变两探头夹装机构间的距离，将石英棒更换为一根长800-1200mm的石英棒，将滑动夹装机构顶紧锁死后，等待水箱内谁静止且温度稳定后，开始测量并读取流量计数据，在多个滑轨系统上重复该步骤，获得对应的探头间的实际距离以及获得测量数据；根据公式(4)或公式(5)计算得到各个超声流量计计时系统误差大小。

本发明的装置具有较大的通用性，适用于不同厂家的流量计，解决了非实流校准中关键技术问题，可在计量检测机构及超声流量计生产厂家中推广使用。

本领域技术人员应该理解，本说明书中列举的具体实施方案或实施例，只不过是为了理解本发明的技术内容，在不背离本发明的主旨和范围的情况下，本发明在形式上和细节上可以进行多种改变，本领域技术人员能够根据具体的设计要求，对上述实施例中的各部件进行合理的选择和组合，以及在一定程度上进行的细节和形式上的变化，其依然将落在本发明所要求保护和公开的范围之内。

Claims (8)

1.一种超声流量计延时检测校准装置，其包括水槽，其具有收纳空间；至少一个滑轨系统，该至少一个滑轨系统位于所述水槽的收纳空间中；第一超声探头和第二超声探头为被测流量计的一对超声探头；第一超声探头，其固定于滑轨系统的固定探头夹装机构上；第二超声探头，其固定于滑轨系统的滑动探头夹装机构上；其特征在于：在第一超声探头和第二超声探头之间的第一距离处，获得流量计第一数据；在第一超声探头和第二超声探头之间的第二距离获得流量计第二数据，通过第一数据和第二数据的计算获得超声流量计的延时校准数据。

2.如权利要求1所述的超声流量计延时检测校准装置，其特征在于：该水槽内具有液体，且该水槽具有保温层。

3.如权利要求1所述的超声流量计延时检测校准装置，其特征在于：该水槽具有注水口和排水口。

4.如权利要求1所述的超声流量计延时检测校准装置，其特征在于：该装置进一步包括多个温度传感器，其分别探测水槽中不同位置处的液体温度，该多个温度传感器探测得到的温度数据输出到温度采集器。

5.如权利要求1所述的超声流量计延时检测校准装置，其特征在于：在所述滑动探头夹装机构的中部与固定探头夹装机构的中部均有半球型顶头。

6.如权利要求5所述的超声流量计延时检测校准装置，其特征在于：通过在滑动探头夹装机构的半球型顶头与固定探头夹装机构的半球型顶头之间设置第一长度的石英棒获得第一距离。

7.如权利要求5所述的超声流量计延时检测校准装置，其特征在于：通过在滑动探头夹装机构的半球型顶头与固定探头夹装机构的半球型顶头之间设置第二长度的石英棒获得第二距离。

8.如权利要求1所述的超声流量计延时检测校准装置，其特征在于：所述第一超声探头和第二超生探头均通过线路连接到被测超声流量计主机。

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