CN103674146A - 一种基于超声流量计的质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声流量计的质量流量计，包括由测量管以及设于该测量管内的至少两个换能器构成的超声流量计，其特征在于：所述测量管的管壁设有低端测压口；另外，所述质量流量计还包括与所述测量管同轴设置并相互连通的入口圆管和圆锥状收缩管，其中，所述入口圆管与所述收缩管大端固定连接，所述收缩管的小端与所述测量管入口端固定连接，所述入口圆管的管壁上设有高端测压口。其优点是：避免了流体参数变化对测量的影响，提高了测量稳定性和精度，也大大减少了测量系统的设备投资和安装维护工作量。该质量流量计具有成本低、口径覆盖范围宽、适用气体和液体流量测量、无需温度压力补偿的优点。

Description

一种基于超声流量计的质量流量计

技术领域

本发明属测量管路流体流量的仪器仪表技术领域，具体涉及一种基于超声流量计的质量流量计。

背景技术

对于气体和液体的流量测量，除了科氏质量流量计等少数流量计可直接测得流体的质量外，大多数流量仪表测量的是都是流体的工况体积流量。由于流体的工况体积是一个随密度变化的变量，不同密度条件下同样的体积其质量是不同的，因此工况体积流量在密度变化的情况下是不能准确地表达流体真实流量的。而绝大多数的工况条件压力和温度都是变化的，因而密度也随之变化，造成同样的体积流量其质量并不相等的问题，这样容易造成过程控制失调或失控而带来生产危害，特别是当用于贸易结算时，会带来很大的误差而引发贸易争端。因此对因参数变化而产生的这种影响应进行消除或减小，为此最好是直接测量流体的质量流量，可用上述的质量流量计进行测量。但是由于科氏质量流量计价格昂贵且不能用于较大口径等原因，又限制了其应用的范围。为此人们只能对体积流量采用压力和温度补偿的方式，间接得到流体的质量流量或标准状态下的体积流量。由此不仅增加了设备投资及测量系统的复杂，也会因补偿措施缺欠或不完善而带来测量误差。为此人们需要找到一种成本低、口径覆盖范围宽、适用气体和液体流量测量、无需温度压力补偿的的质量流量计。

发明内容

本发明实施例的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于超声流量计的质量流量计，具有成本低、口径覆盖范围宽、适用气体和液体流量测量、无需温度压力补偿的优点。

为了达到上述发明目的，本发明实施例提出的一种基于超声流量计的质量流量计是通过以下技术方案实现的：

一种基于超声流量计的质量流量计，包括由测量管以及设于该测量管内的至少两个换能器构成的超声流量计，其特征在于：所述测量管的管壁设有低端测压口；另外，所述质量流量计还包括与所述测量管同轴设置并相互连通的入口圆管和圆锥状收缩管，其中，所述入口圆管与所述收缩管大端固定连接，所述收缩管的小端与所述测量管入口端固定连接，所述入口圆管的管壁上设有高端测压口。

上述结构中，入口圆管可与工艺管道相连，且可通过高端测压口在入口圆管处获取流体流经入口圆管所形成的高端压力信号；圆锥状收缩管完成对流体的收缩整流以便在其后部形成一个稳定的压力信号，流体经过收缩整流后，到达测量管后变成了均速稳定的流动状态；通过测量管内的低端测压口在此部位产生一个与流速成反比的低端压力信号，同时在此段流动均速稳定状态下用超声换能器完成对流速的测量。之后可利用公式（4）通过差压和流速计算获得流体的质量，由于其测量过程中与流体的密度无关，因此测量气体或液体不需要压力温度补偿。

以下将对于公式（4）以及其推导过程进行简要描述：

文丘里管差压流量公式 $q_v=k_1\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

超声波流量公式    q_v=u·A·k₂    （2）

将（1）式两边平方后再除以（2）式整理得到：

$q_v=\frac{k_1^2\·\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}\·u\·A\·k_2}---\left(3\right)$

根据q_m＝q_v·ρ，将（3）式两边乘以ρ得到质量流量：

$q_m=\frac{k_1^2\·\mathrm{\Δp}}{u\·A\·k_2}---\left(4\right)$

上述公式中各符号含义如下：

q_m    质量流量；

q_v    工况体积流量；

Δp   差压；

u     超声传感器测得的流速；

A     管道截面积；

k₁、  差压仪表系数

k₂    超声波仪表系数。

可以看出，（4）式中的质量流量q_m只与差压Δp、流速u、管道截面积A及两个系数k₁、k₂有关，与密度无关，从而实现了不用温度、压力补偿，就可以求得质量流量。

另外，优选的，在具体实施方式中还包括如下技术特征：

所述质量流量计还包括同轴设置于所述测量管出口端的圆锥状扩张管，所述扩张管的小端与所述测量管出口端固定连接。扩张管用来恢复和减少因前部测量所产生的压力损失和消除流出流体对测量的反射影响。

所述入口圆管、收缩管、测量管和扩张管为一体结构。

所述质量流量计还包括与所述换能器连接的超声传感器，以及通过导压管分别与所述高端测压口和低端测压口相连通的压差传感器。用来分别获得压差信号和流量信号。

所述测量管外套设有对应所述低端测压口设置的低端测压环，所述入口圆管外套设有对应所述高端测压口设置的高端测压环，所述压差传感器通过导压管和所述高端测压环与所述高端测压口连通，通过导压管和所述低端测压环与所述低端测压口连通。

所述质量流量计还包括与所述超声传感器相连的超声变换器、与所述压差传感器相连的压差变换器以及流量积算仪，所述流量积算仪连接所述超声变换器和压差变换器。超声传感器获得的流量信号经超声变换器变换后；压差传感器获得的压差信号经差压变换器变换后送至流量积算仪进行运算处理。两路信号经流量积算仪内置的计算公式（4）式运算，得到流体的质量流量，

所述超声流量计为单声道超声流量计。该单声道超声流量计中的两个换能器的安装方式可以在Z法安装、V法安装、W法安装、内置安装等多种安装方式中任意选择。但需要注意的是，换能器优选的采用装在管外或插入管道位置几乎与管内壁平齐的方式，此时不会对流动产生任何干扰，对差压和流速的测量各自无影响。

本发明公开了一种基于超声流量计的质量流量计，其优点是：在得质量流量过程中，与流体的密度无关，因此无论是测量气体流量和液体流量都不受流体压力和温度参数的影响，由此不但避免了流体参数变化对测量的影响，提高了测量稳定性和精度，也大大减少了测量系统的设备投资和安装维护工作量。该质量流量计具有成本低、口径覆盖范围宽、适用气体和液体流量测量、无需温度压力补偿的优点。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为采用Z法安装换能器的质量流量计结构示意图；

图2是采用V法安装换能器的质量流量计结构示意图；

图3是传感器+信号变换器+流量积算仪三位一体式安装示意图。

图4是传感器、变换器、流量积算仪两体式安装示意图。

图5是传感器、变换器、流量积算仪三体式安装示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5所示，标号分别表示：1-入口圆管；2-收缩管；3-测量管；4-扩张管；5-工艺管；6-出口圆管；7-高端测压环；8-低端测压环；9-正压测量口；10-负压测量口；11-超声换能器；12-超声换能器；13-差压变换器；14-超声变换器；15-流量积算仪；16-超声传感器；17-压差传感器。

参见图1所示，本发明实施例中提供了一种基于超声流量计的质量流量计，该质量流量计包括由测量管3以及设于该测量管3内的两个换能器11和12构成的单声道超声流量计。该单声道超声流量计采用Z法安装，也就是说换能器11和换能器12形成的超声波传播路径与流体的流向倾斜，具有一个夹角。不同于常规单声道超声流量计的是，所述测量管3的管壁设有低端测压口，并且通过在测量管3外套设低端测压环8引出，该低端测压环8与低端测压口位置对应，且具有负压测量口10。

另外，所述质量流量计还包括与所述测量管3同轴设置并相互连通的入口圆管1、圆锥状收缩管2、圆锥状扩张管3和出口圆管6。其中，上述中“圆锥状”的收缩管2和扩张管3至少指的是其内腔是呈截头圆锥状的，且内腔具有两端的开口，使其呈管状。当然，为节省成本考虑收缩管2和扩张管3外形也可以使截头圆锥状的，但是不应当将圆锥状仅仅理解为收缩管2和扩张管3的外形呈圆锥状，或者收缩管2和扩张管3的外形必须呈圆锥状。为便于表述，其中具有较大的开口的一端称为大端，具有相对较小的一个开口的一端则称为小端。所述入口圆管1与所述收缩管2大端固定连接，所述收缩管2的小端与所述测量管3入口端固定连接。圆锥状扩张管3的小端与所述测量管3出口端固定连接。出口圆管6与圆锥状扩张管3的大端连接。所述入口圆管1的管壁上设有高端测压口，并且通过在入口圆管1外套设高端测压环7引出，该高端测压环7与高端测压口位置对应，且具有正压测量口9。

所述入口圆管1、收缩管2、测量管3、扩张管4和出口圆管6为一体结构，可根据实际测量的需求可以机械焊接加工、模具加工、注塑加工来完成。

上述结构中，入口圆管1与工艺管道5相连，且可通过正压测量口9在入口圆管1处获取流体流经入口圆管1所形成的高端压力信号；圆锥状收缩管2完成对流体的收缩整流以便在其后部形成一个稳定的压力信号，流体经过收缩整流后，到达测量管3后变成了均速稳定的流动状态；通过测量管3内的负压测量口10获得一个与流速成反比的低端压力信号，同时在此段流动均速稳定状态下用两个超声换能器完成对流速的测量。扩张管3用来恢复和减少因前部测量所产生的压力损失和消除流出流体对测量的反射影响。而出口圆管6则用来和工艺管道相连。入口圆管1、出口圆管6与工艺管道的连接可通过法兰、焊接、螺纹选择实现。

承上述，入口圆管1、收缩管2、测量管3和扩张管4构成一个类似于文丘里管结构，被测流体流经入口圆管1、收缩管2后，等同于经过一个缩径流动调整器整流，只要合理设计测量管3与入口圆管1的直径比值及合理设计测量管3的长度，被测流体在测量管3就会形成充分发展的管流，这是经过充分的理论分析和大量实验得到的结论。虽然在此测量管3同时测取流体经缩径节流后产生的低端压力，由于负压测量口10是在管壁开口，因而也不会对流体的流动产生任何干扰，因而将负压测量口10设置在安装在此测量管3是合理的。

通过上述结构，可获得差压和流速，而在获得压差和流速的基础上，可利用公式（4）计算获得流体的质量，由于其测量过程中与流体的密度无关，因此测量气体或液体不需要压力温度补偿。

以下将对于公式（4）以及其推导过程进行简要描述：

文丘里管差压流量公式 $q_v=k_1\sqrt{\frac{\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}}}---\left(1\right)$

超声波流量公式    q_v=u·A·k₂    （2）

将（1）式两边平方后再除以（2）式整理得到：

$q_v=\frac{k_1^2\·\mathrm{\Δp}}{\mathrm{\ρ}\·u\·A\·k_2}---\left(3\right)$

根据q_m＝q_v·ρ，将（3）式两边乘以ρ得到质量流量：

$q_m=\frac{k_1^2\·\mathrm{\Δp}}{u\·A\·k_2}---\left(4\right)$

上述公式中各符号含义如下：

q_m    质量流量；

q_v    工况体积流量；

Δp   差压；

u     超声传感器测得的流速；

A     管道截面积；

k₁、  差压仪表系数

k₂    超声波仪表系数。

可以看出，（4）式中的质量流量q_m只与差压Δp、流速u、管道截面积A及两个系数k₁、k₂有关，与密度无关，从而实现了不用温度、压力补偿，就可以求得质量流量。

参见图3-5，除上述测量传感器部分之外，本实施例还提供一套完整、直接的获得流体质量流量的技术方案，具体的说，质量流量计还包括超声传感器16、压差传感器17、超声变换器14、压差变换器13和流量积算仪15。其中，超声传感器16分别与所述换能器11、12连接，用来获得流量信号；压差传感器17通过导压管分别与所述正压测量口9和负压测量口10相连通，用来获得压差信号；超声变换器14与所述超声传感器16相连；压差变换器13与所述压差传感器17相连；所述流量积算仪15连接所述超声变换器14和压差变换器13。通过上述结构，超声传感器16获得的流量信号经超声变换器14变换后；压差传感器1获得的压差信号经差压变换器13变换后送至流量积算仪14进行运算处理。两路信号经流量积算仪15内置的计算公式（4）式运算，直接得到流体的质量流量，并输出显示。

图3中，上述的传感器+信号变换器+流量积算仪采取三位一体式安装方式，也就是说超声传感器16、压差传感器17、超声变换器14、压差变换器13和流量积算仪15集成在一个壳体内，提高了设备的集成度，减少了设备的体积。而图4和图5的区别在于将上述元器件进行了独立封装，使其成为二体式或者三体式的结构。而不同封装方式的选择，主要取决于基于超声流量计的质量流量计的应用场合。由于以上所描述的不同封装手段为本领域技术人员公知技术，故不再赘述。

参见图2，图2中揭示了另一种采用v法安装换能器的测量管3结构，换能器11和12之间的超声波传播路径具有一个反射点。

显然，本领域技术人员应当知晓，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，在上述实施例的指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，如超声流量计为单声道超声流量计时，可以选择采用W法安装、内置安装等其它换能器安装方式。当然，也可采用多声道超声流量计，而换能器的安装方式则进行相应的改动。而这些改进或者变形落在本发明的保护范围内。

需要注意的是，换能器优选的采用装在管外或插入管道位置几乎与管内壁平齐的方式，此时不会对流动产生任何干扰，对差压和流速的测量各自无影响。

以上公开了一种基于超声流量计的质量流量计，其优点是：在得质量流量过程中，与流体的密度无关，因此无论是测量气体流量和液体流量都不受流体压力和温度参数的影响，由此不但避免了流体参数变化对测量的影响，提高了测量稳定性和精度，也大大减少了测量系统的设备投资和安装维护工作量。该质量流量计具有成本低、口径覆盖范围宽、适用气体和液体流量测量、无需温度压力补偿的优点。

本发明所属领域的一般技术人员可以理解，本发明以上实施例仅为本发明的优选实施例之一。为篇幅限制，这里不能逐一列举所有实施方式，任何可以体现本发明权利要求技术方案的实施，都在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于超声流量计的质量流量计，包括由测量管以及设于该测量管内的至少两个换能器构成的超声流量计，其特征在于：所述测量管的管壁设有低端测压口；另外，所述质量流量计还包括与所述测量管同轴设置并相互连通的入口圆管和圆锥状收缩管，其中，所述入口圆管与所述收缩管大端固定连接，所述收缩管的小端与所述测量管入口端固定连接，所述入口圆管的管壁上设有高端测压口。

2.如权利要求1所述的一种基于超声流量计的质量流量计，其特征在于：所述质量流量计还包括同轴设置于所述测量管出口端的圆锥状扩张管，所述扩张管的小端与所述测量管出口端固定连接。

3.如权利要求2所述的一种基于超声流量计的质量流量计，其特征在于：所述入口圆管、收缩管、测量管和扩张管为一体结构。

4.如权利要求1、2或3所述的一种基于超声流量计的质量流量计，其特征在于：所述质量流量计还包括与所述换能器连接的超声传感器，以及通过导压管分别与所述高端测压口和低端测压口相连通的压差传感器。

5.如权利要求4所述的一种基于超声流量计的质量流量计，其特征在于：所述测量管外套设有对应所述低端测压口设置的低端测压环，所述入口圆管外套设有对应所述高端测压口设置的高端测压环，所述压差传感器通过导压管和所述高端测压环与所述高端测压口连通，通过导压管和所述低端测压环与所述低端测压口连通。

6.如权利要求4所述的一种基于超声流量计的质量流量计，其特征在于：所述质量流量计还包括与所述超声传感器相连的超声变换器、与所述压差传感器相连的压差变换器以及流量积算仪，所述流量积算仪连接所述超声变换器和压差变换器。

7.如权利要求6所述的一种基于超声流量计的质量流量计，其特征在于：所述超声流量计为单声道超声流量计。

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