CN102914334B - 插入式超声波气体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种插入式超声波气体流量计，包括使用时插入待测气体管路中的换能器固定架，在换能器固定架上固设有用于测量超声波在待测气体中顺流传播时的顺流时间和逆流传播时的逆流时间的超声波换能器组，还包括使用时布置在待测气体管路的与所述超声波换能器组相对应的管段处、且与该管段相连通并供该管段中的待测气体自由扩散的静速容器，在静速容器上布置用于在静速管中测量超声波传播速度的超声波换能器。本发明所提供的气体流量计实现对超声波传播速度的在线检测，保证静速容器中的气体和气体管路中的待测气体始终处于同一状态下，提高了测量的准确度，便于应用在各种环境下的气体流量的测量。

Description

插入式超声波气体流量计

技术领域

本发明属于气体流量测量技术领域，具体涉及一种插入式超声波气体流量计。

背景技术

常用的超声波流量计根据由超声波换能器组成的测量结构的不同可分为外贴式超声波流量计、管段式超声波流量计及插入式超声波流量计，其中，外贴式超声波流量计安装超声波换能器无需管道断流，但是对于管道材质要求较高，如果管道锈蚀严重或衬里或管道内有间隙等问题时，外贴式超声波流量计是无法正常测量的。管段式超声波流量计是将超声波换能器与气体管路组成一体，但需要切开管段安装换能器，无法实现不断流安装测量，而插入式超声波流量计则可以直接插入待测气体管路中，实现对流体流量的直接测量。

在授权公告号为CN20204892U的中国实用新型专利说明书中公开了一种插入式超声波气体流量计机构，其同样是根据时差法超声波测量原理工作的，这种气体流量计包括用于插入气体管路中的换能器固定架，在换能器固定架上设有两相对布置的超声波换能器，两个超声波换能器呈收发一体结构，且交替地对应作为发射和接收元件，两个超声波换能器组成用于在气体管路中测量超声波在待测气体中顺流传播时的顺流时间和逆流传播时的逆流时间的超声波换能器组。上述的气体流量计中的超声波换能器组沿气体管路的轴向布置，而在实际测量时，气体流量计还可以呈与气体管路轴向倾斜相交的对射结构或呈V型反射结构沿气体管路轴向布置。但是不论采用那种布置形式，最终都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，而气体管路中的待测气体组分是变化的，这样对超声波气体流量计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插入式超声波气体流量计，以解决现有技术中的插入式气体流量计测量时仍然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待测气体中的传播速度C_f而影响测量精度的技术问题。

为实现上述目的，本发明所提供的插入式超声波气体流量计的技术方案是：插入式超声波气体流量计，包括使用时插入待测气体管路中的换能器固定架，在换能器固定架上固设有用于测量超声波在待测气体中顺流传播时的顺流时间和逆流传播时的逆流时间的超声波换能器组，所述的气体流量计还包括使用时布置在待测气体管路的与所述超声波换能器组相对应的管段处、且与该管段相连通并供该管段中的待测气体自由扩散的静速容器，在静速容器上布置用于在静速管中测量超声波传播速度的超声波换能器。

所述的静速容器为使用时插入气体管路中的静速管，该静速管具有直管段，所述静速容器上的超声波换能器布置在所述直管段上，所述静速管上还具有使用时朝向气体管路中待测气体流动的下游方向的管壁，管壁上开设有供待测气体自由扩散至静速管中的扩散口。

所述的静速管的直管段沿竖直方向延伸，静速管还具有与固连在所述直管段下端并与该直管段形成弯折布局的弯折管段，所述换能器固定架固连在所述静速管的弯折管段上。

所述的静速管上的超声波换能器在静速管的直管段的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在静速管的直管段的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的直管段的轴向一端，在静速管的直管段的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：本发明所提供的插入式超声波气体流量计使用时插入待测气体的气体管路中，由布置在换能器固定架上的超声波换能器组测出超声波顺流传播时的顺流时间和逆流时间，并在静速容器中测量计算得到超声波在静速容器的待测气体中的传播速度，然后将顺流时间、逆流时间及超声波传播速度带入相应的时差法超声波测量计算方程式中计算得到待测气体的流速，进而得到待测气体流量。本发明所提供的气体流量计包括静速容器，测量时，气体管路中的待测气体自由扩散到静速容器中，静速容器所处的环境因素如气体组分、温度、压力等因素与待测气体的环境因素一致，在静速容器中所测量计算得的超声波传播速度即为超声波在气体管路的待测气体中的传播速度，这样通过在静速 容器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。本发明所提供的气体流量计实现对超声波传播速度的在线检测，保证静速容器中的气体和气体管路中的待测气体始终处于同一状态下，提高了测量的准确度，便于应用在各种环境下的气体流量的测量。

附图说明

图1是本发明所提供的的插入式超声波气体流量计一种实施例的使用状态示意图（图中箭头所示为气体管路中的待测气体流向）。

具体实施方式

插入式超声波气体流量计的实施例，其结构如图1中所示，包括使用时固定安装在气体管路2上的固定座1和使用时插入待测气体管路中的换能器固定架8，在换能器固定架8上固设有用于测量超声波在待测气体中顺流传播时的顺流时间和逆流传播时的逆流时间的超声波换能器组，此处的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5，这两个超声波换能器沿气体管路的轴向布置，且两超声波换能器呈与气体管路轴向倾斜相交的对射结构，与现有技术中的插入式超声波气体流量计的不同之处主要在于：该超声波气体流量计在固定座1上固连有使用时插入气体管路2的与所述换能器固定架上的超声波换能器组相对应的管段处、且与该管段相连通并供该管段中的待测气体自由扩散的静速容器，该静速容器为静速管6，在静速管6上具有使用时朝向气体管路中待测气体流动的下游方向的管壁，管壁上开设有供待测气体自由扩散至静速管中的扩散口3。所述静速管6具有沿直线延伸的直管段61，此处的直管段沿竖直方向延伸，在静速管的直管段31上布置有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4在静速管的直管段的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。

另外，静速管6包括沿竖直方向延伸的直管段61和固连在直管段下端并与直管段形成弯折布局的弯折管段62，为方便在使用时将气体流量计插入气体管路中，所述换能器固定架8固连在所述静速管的弯折管段62的下部。

上述实施例所提供的插入式气体流量计在使用时，在待测气体流过气体管路2时，由插入气体管路2的对应管段中的换能器固定架8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；待测气体在流过气体管路2的布置有超声波换能器组的管段时自由扩散到静速管6中，静速管6的直管段61上布置的向静速管中发射并接收超声波的超声波换能器4工作，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，然后将所测得的t₁、t₂、C_f代入下述方程中以求得待测流体在气体管路中的流速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为超声波在气体管路中传播的声程，v′则是待测气体的流速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)均根据气体管路中超声波换能器组的布局而获得。

上述实施例中，扩散口开设在静速管的使用时朝向气体管路中待测气体流动的下游方向的管壁上，这样可以有效保证待测气体是自由扩散到静速管中，进而提高测量精度。

上述实施例中，静速容器为便于插入气体管路中的静速管结构，在其他实施例中，静速容器也可以呈箱形等结构。静速容器还可以不插入气体管路中，将静速容器设置在气体管路外，然后通过扩散管将静速容器与气体管路的与换能器固定架上的超声波换能器组对应的管段相连通的扩散管固连在气体管路上，气体管路的对应管段中的待测气体通过扩散管自由扩散到静速容器中，此时，可以在位于气体管路外的静速容器中进行超声波的传播速度的测量计算，不影响测量结果。

上述实施例中，静速管的直管段沿竖直方向延伸，这样便于将静速管插入气体管路中，在其他实施例中，也可以使静速管的直管段沿气体管路的轴向延伸。

上述实施例中，换能器固定架上的两个超声波换能器与气体管路轴向倾斜相交的对射结构的布置形式，在其他实施例中，也可以采用现有技术中的呈呈45°V型反射结构布置，不会影响测量结果，不过此时，需要在换能器固定架上预先设置有用于反射从超声波换能器中发射出的超声波的反射部，这样可以预先计算出超声波在气体管路中的声程。或者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。换能器固定架上的四个呈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气体管路 待测气体中传播时的顺流时间和逆流时间即可。

在其他实施例中，还可以在换能器固定架上于两个呈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，这种在换能器固定架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。

上述实施例中，静速管上的超声波换能器的布置方式还可以为：所述静速管上的超声波换能器在静速管的直管段的轴向两端布置有两个，所述静速管的直管段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。

或者采用如下布置方式：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的直管段的轴向一端，在静速管的直管段的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。

在上述列举的布置方式中，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。

本发明所提供的插入式超声波气体流量计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，整个装置简单可靠。

Claims (4)

1.插入式超声波气体流量计，包括使用时插入待测气体管路中的换能器固定架（8），在换能器固定架上固设有用于测量超声波在待测气体中顺流传播时的顺流时间和逆流传播时的逆流时间的超声波换能器组，其特征在于：所述的气体流量计还包括使用时布置在待测气体管路的与所述超声波换能器组相对应的管段处、且与该管段相连通并供该管段中的待测气体自由扩散的静速容器，在静速容器上布置用于在静速容器中测量超声波传播速度的超声波换能器（4），所述的静速容器为使用时插入气体管路中的静速管，该静速管具有直管段，所述静速容器上的超声波换能器布置在所述直管段上，所述静速管上还具有使用时朝向气体管路中待测气体流动的下游方向的管壁，管壁上开设有供待测气体自由扩散至静速管中的扩散口，所述的静速管的直管段沿竖直方向延伸，静速管还具有与固连在所述直管段下端并与该直管段形成弯折布局的弯折管段，所述换能器固定架固连在所述静速管的弯折管段上。

2.根据权利要求1所述的插入式超声波气体流量计，其特征在于：所述的静速管上的超声波换能器在静速管的直管段的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所述的插入式超声波气体流量计，其特征在于：所述的静速管上的超声波换能器在静速管的直管段的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所述的插入式超声波气体流量计，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，所述静速管上的呈收发一体结构的超声波换能器布置在静速管的直管段的轴向一端，在静速管的直管段的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。