CN104007287A - 一种基于超声波的管道流体流速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于管道流体流速的检测。具体涉及一种基于超声波的管道流体流速检测方法，该检测方法在管道外壁安装二个超声波的发射和接受单元(传感器1和2)，顺流方向即超声波从传感器1到传感器2的传播时间为t_1，2，逆流方向即超声波从传感器2到传感器1的传播时间为t_2，1，则流体流速V的计算式为：式中：N是两个传感器的轴向距离、D是管道的内径D、是M管道壁的厚度、C₀是超声波在管壁中的传播速度、α是超声波的入射角。本发明可实现对不同内径管道流体流速的测量。

Description

一种基于超声波的管道流体流速检测方法

技术领域

本发明专利涉及管道流体流速的自动检测，尤其涉及对一些不宜直接接触的介质，实现非接触式的管道流体介质速度的自动检测方法，属于管道流体流速检测技术领域。

背景技术

相对于其他的波源，超声波具有频率高、波长短、功率大、穿透能力强、衍射效果不明显等特点，在固态和液态中衰减性较好的特性，作为测量的波源是最佳的选择。管道中流体介质的速度调节和测量是一个很重要的控制参数指标，传统的流量计也是可以测量流速的，但是在不同的管路，不同内径的管道必须是对应不同流量计的公称直径。在一些特殊的场合下，例如介质有腐蚀性、不宜直接的接触等场合是很不方便的。

本发明专利实现了在不切开管道的情况下的非接触式测量，可测量内径DN15～DN6000的管道内流体流速，具有很大的应用前景。

发明内容

为了实现对管道介质流速的柔性测量(不受管道内径大小的限制、易于安装、方便拆卸)，特别是对一些不宜直接接触的介质，实现非接触式的测量，本发明提供了一种基于超声波的便携式管道流体流速自动检测方法。

本发明专利所采用的技术方案是：

超声波在流体介质中传播时，根据多普勒效应，顺流方向的声波传播速度会增大，逆流方向声波的传播速度会减小，流体流速检测原理如下：

管道外壁安装二个超声波的发射和接受单元(传感器1和2)，顺流方向即超声波从传感器1到传感器2的传播时间为t_1，2，逆流方向即超声波从传感器2到传感器1的传播时间为t_2，1，则流体流速V的表达式为：

$V=\frac{N^2+D^2}{2N}\·\frac{t_{\mathrm{2,1}}-t_{\mathrm{1,2}}}{(t_{\mathrm{1,2}}-\frac{2M}{C_0\sin \mathrm{\α}})(t_{\mathrm{2,1}}-\frac{2M}{C_0\sin \mathrm{\α}})}$

式中：N是两个传感器的轴向距离、D是管道的内径D、是M管道壁的厚度、C₀是超声波在管壁中的传播速度、α是超声波的入射角。

本发明专利针对不同内径的管道，利用超声波的多普勒效应快速检测出管道内流体的流速。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

附图1是一种基于超声波的管道流体流速检测方法原理图。

附图1中编号1和2分别是超声波传感器1和超声波传感器2，编号3和4是管道上下截面，A点和B点表示的超声波与管道内截面的交点、L是A点到B点的距离，N是两个传感器从A点到B的轴向距离，D表示的是管道的内径，M表示的是管道壁的厚度，α表示的是超声波的入射角，β表示的是管道轴向与超声波声道之间的夹角，V为流体的流速。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的具体实施方式做进一步说明。

t_1.A表示超声波从传感器1到A点在管壁中传输的时间，设t_A，B表示超声波顺流从A点到B点的传输时间，t_2.B表示超声波从传感器2到B点在管壁中传输的时间，t_B，A表示超声波逆流从B点到A点的传输时间，同样的定义原则有t_A.1，t_B.2。

因为在管道壁中超声波的传播速度是保持不变的且管壁厚度相同，有：t_1.A＝t_A.1＝t_2B＝t_B2。

顺流方向，超声波从传感器1到A点在管壁中传输的时间：

A点到B点有： $t_{A,B}=\frac{L}{C+V\cos \mathrm{\β}}---\left(2\right)$

所以顺流方向传播时间，即传感器1到传感器2的传播时间t_1，2：

t_1，2＝t_1，A+t_A，B+t_B，2     (3)

逆流方向，超声波从传感器2到B点在管壁中传输的时间：

B点到A点有： $t_{B,A}=\frac{L}{C-V\cos \mathrm{\β}}---\left(5\right)$

所以逆流方向传播时间，即传感器2到传感器1的传播时间t_2，1：

t_2，1＝t_2，B+t_B，A+t_A，1     (6)

上式中：C表示超声波在静止的流体介质中的传播速度，C₀表示超声波在管壁中的传播速度。

由

L²＝N²+D²     (7)

$\cos \mathrm{\β}=\frac{N}{L}---\left(8\right)$

推导得到流速V的表达式为：

$V=\frac{N^2+D^2}{2N}\·\frac{t_{\mathrm{2,1}}-t_{\mathrm{1,2}}}{(t_{\mathrm{1,2}}-\frac{2M}{C_0\sin \mathrm{\α}})(t_{\mathrm{2,1}}-\frac{2M}{C_0\sin \mathrm{\α}})}---\left(9\right)$

式(9)与C无关，只与超声波传感器的安装位置(决定N的大小)、管道的内径D、管道壁的厚度M、管道的材质(决定C₀的大小)有关。实时计量超声波顺流方向传播时间t_1，2和逆流方向传播时间t_2，1后可由式(9)计算得到流速。

超声波在几种常见管道材质的传播速度C₀如表1所示。

表1

管道材质	铸铁	不锈钢	铜管	PVC	玻璃
						传播速度C0(m/s)	4572	5664	4394	2388	5664

本发明专利能够实现非接触的检测出不同口径的管道内流体流速。

以上是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于发明技术方案的范围内。

Claims (1)

1.一种基于超声波的管道流体流速检测方法，其特征在于，管道外壁安装二个超声波的发射和接受单元(传感器1和2)，顺流方向即超声波从传感器1到传感器2的传播时间为t_1，2，逆流方向即超声波从传感器2到传感器1的传播时间为t_2，1，则流体流速V的计算式为：

$V=\frac{N^2+D^2}{2N}\·\frac{t_{\mathrm{2,1}}-t_{\mathrm{1,2}}}{(t_{\mathrm{1,2}}-\frac{2M}{C_0\sin \mathrm{\α}})(t_{\mathrm{2,1}}-\frac{2M}{C_0\sin \mathrm{\α}})}$

式中：N是两个传感器的轴向距离、D是管道的内径D、是M管道壁的厚度、C₀是超声波在管壁中的传播速度、α是超声波的入射角。