CN104198003A - 超声流量计 - Google Patents

Abstract

本发明是一种超声流量计,包括：相互连通的第1管段、第2管段和第3管段；第1超声换能器，在第1管段的第一管段端头向其他端头传递超声波，第2超声换能器，在第3管段的其他端头向第一管段端头传递超声波；第1反射面，将沿着第1管段传递的超声波向第2管段的横向反射，第2反射面，将沿着第2管段传递的超声波向第3管段的纵向反射；控制部，测量第1超声换能器输出的超声波经过第1反射面及第2反射面反射后，被第2超声换能器接收所需的第1所需时间，以及第2超声换能器输出的超声波，经过第2反射面及第1反射面的反射后，被第1超声换能器接收所需的第2所需时间，通过第1所需时间和第2的时间差计算管道内流体的流速及流量。

Description

超声流量计

技术领域

本发明涉及一种超声流量计，更详细地说，涉及测量直径较小的管道内部流体的流量的超声流量计，本发明提供的流量计安装到与家庭用天然气供应管道类似的管道上。

背景技术

现如今使用流体的产业领域已经不胜枚举，比如为每个家庭和产业现场提供水的自来水管道和为其排出污水的下水管道，为每个家庭供应天然气的天然气管道，还有钢铁、化学领域的冷却水循环管道等都属于该领域。在这些产业领域中，如何适当地调节管道内流体的流量并进行管理已经成为了一项重要的课题。 在需要严格管理流体的产业现场，一般都会在管道上安装超声流量计，以此来测量管道内部流体的流量。

现有的测量方法为，在自来水管道或下水管道、冷却水管道等直径大的管道1上，如图1所示安装两只相对的超声换能器2，通过两只超声换能器2之间传递超声波所需的时间差来计算。

但是在家庭天然气供应管道等直径小的管道中使用图1所示的方法时，超声波的传递路径就会变得过于短小。由于超声流量计的时间测量分辨率(sensitivity)是有限制的，像这样超声波传递路径过于短小时，测量的流速及流量的准确度也就会下降了。

解决问题时，现有方法针对直径小的管道使用的是如图2所示的将超声波在管道1内部表面多次反射，以延长超声波的传递路径的方法。但是管道1的直径过小会提高对超声波的弯曲角度及反射角度的要求，像这样将超声波在管道1内部进行多次反射时，超声换能器之间接收超声波时将会发生错位，导致计算的流速及流量出现问题。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声流量计，对现有超声流量计的结构作出了改善，能够正确测量流体的流速及流量。

为了实现发明目的，提出一种超声流量计，所述的超声流量计包括：

一个测量管40，所述测量管40具有第1管段10,沿着一个方向延伸，第一管段10的一个端头连通到测量管40的管道1上；第2管段20,沿着与第1管段交叉的方向延伸，第2管段的一个端头和第1管段的另一端头连接；第3管段30,沿着与第2管段20交叉的方向延伸，第3管段30的一个端头和第2管段的另一端头连接，第3管段30的另一端头连接到测量管40的管道1上，第一管段10、第2管段20和第3管段30形成一个连通的形式；所述测量管40还配备有第1反射面41和第2反射面42，所述第1反射面41在第1管段10和第2管段20连接处形成平面，将沿着第1管段纵向传递的超声波向第2管段横向反射；所述第2反射面在第2管段和第3管段连接处形成平面，将沿着第2管段横向传递的超声波向第3管段纵向反射；

第1超声换能器50，用以在第1管段10的一个端头向其他端头传递超声波；

第2超声换能器60，用以在第3管段30的一个端头向其他端头传递超声波；

控制部，测量从第1超声换能器50输出超声波的时间点开始，一直到此超声波依次经过第1反射面41及第2反射面42反射后，被第2超声换能器60接收的时间点为止所需要的第1所需时间，以及从第2超声换能器42输出超声波的时间点开始，一直到此超声波依次经过第2反射面42及第1反射面41的反射后，被第1超声换能器50接收的时间点为止所需要的第2所需时间，通过第1所需时间和第2所需时间的时间差计算测量管道内部流体的流速及流量。

所述第1超声换能器41安装在第1管段10的上端头，向第1管段10的另一端头发送超声波；所述第2超声换能器42安装在第3管段30的上端头，向第3管段30的另一端头发送超声波。

所述第1管段10和第2管段20直角交叉，第1管段20和第3管段30相对并排设置。

在本发明中，所述测量管260还包括：

第4管段240，所述第4管段240的一个端头与第1管段210的一个端头相通，另一端头连通到管道1上；

第5管段250，所述第5管段250的一个端头和第3管段230的一个端头相通，另一端头连通到管道1上；

第3反射面263，所述第3反射面263是在第1管段210和第4管段240连接处形成的平面；

第4反射面264，所述第4反射面264是在第3管段230和第5管段250连接处形成的平面；

所述第1超声换能器270与第4管段240连接，向第3反射面263输出超声波；

所述第2超声换能器280与第5管段250连接，向第4反射面264输出超声波。

在本发明的另一个实施例中，所述超声流量计200还包括媒介附件290，所述媒介附件290的一个端头与第1超声换能器270连接，另一端头连接在第2超声换能器280上；

所述控制部测量从第1超声换能器270发出超声波的时间点开始，一直到此超声波通过媒介附件290传递被第2超声换能器280接收为止所需要的时间，使用测量的时间测量流体温度。

所述超声流量计200还包括截止阀，所述截止阀安装在超声波的传递路径中，位于第1超声换能器270和第2超声换能器280之间，配备有可以在开放测量管的开放位置和关闭测量管的关闭位置之间移动的开闭附件。

当所述超声流量计200的开闭附件处于关闭位置上时，所述第1超声换能器270发出的超声波在开闭附件中反射后被第1超声换能器270接收，所述第2超声换能器280发出的超声波在开闭附件中反射后被第2超声换能器280接收；所述控制部测量从第1超声换能器270发出超声波的时间点开始，一直到此超声波在开闭附件反射后被接收为止所需要的第3所需时间,以及从第2超声换能器280发出超声波的时间点开始，一直到此超声波在开闭附件反射后被接收为止所需要的第4所需时间，使用第3所需时间和第4所需时间诊断测量管道内部的状态。

所述超声流量计200还包括感应器，感应管道受到的冲击或震动，所述控制部在感应器感应到冲击或震动时，向所述截止阀发送截止信号以关闭测量管。

通过本发明的结构可以正确计算出流体的流速及流量，还可以诊断测量管道内部的状态。

附图说明

图1和图2是现有超声流量计的结构示意图；

图3是本发明的一个实施例的超声流量计结构示意图；

图4是截止阀在关闭状态下超声波传递路径的示意图；

图5是本发明的另一个实施例的超声流量计结构示意图。

本实施例的超声流量计100包括测量管40、第1超声换能器50、第2超声换能器60、截止阀70、感应器(没有图示)、控制部(没有图示)。

测量管40是为了确保超声波在第1超声换能器50和第2超声换能器60之间传递时有足够长的进行路径(在时间测量分辨率以上)而设计的。在本实施例中，测量管40包括第1管段10、第2管段20和第3管段30，其通过连通的形式，用以确保流体可以在管道内部流动。如图3所示，第1管段10沿着管道1交叉的一个方向(为了方便起见，以下称为纵向)延伸形成，第1管段10上侧的端头与管道1连通。第2管段20沿着横向延伸形成，和第1管段10以直角的状态交叉并进行了安装。第2管段20的左侧端头与第1管段10的下侧端头连接。第3管段30沿着纵向延伸形成，在第1管段10的对应位置上安装。第3管段30下侧的端头和第2管段20右侧的端头连接，第3管段30上侧的端头和管道1连通。

测量管40中安装了第1反射面41及第2反射面42，用以反射超声波的。第1反射面41以平面的形式形成，安装在第1管段10和第2管段20连接的地方。在这里，为了确保沿着第1管段10传递的超声波能够向第2管段20的纵向(横向)反射，第1反射面41要和第1管段以及第2管段纵向保持45度角进行安装；第2反射面42以平面的形式形成，安装在第2管段20和第3管段30连接的地方。在这里，为了确保沿着第2管段20纵向传递的超声波能够向横向反射，第2反射面42要和第2管段以及第3管段保持45度角进行安装。

第1超声换能器50和第2超声换能器60负责收发超声波，第1超声换能器50安装在第1管段10上侧的端头上，朝下输出超声波；第2超声换能器60安装在第3管段30上侧的端头上，朝下输出超声波。

截止阀70负责开放或关闭测量管40，配备有开闭附件(没有图示)。开闭附件安装在超声波的传递路径中，位于第1超声换能器50和第2超声换能器60之间。在本实施例中，开闭附件安装在第2管段20的中央位置。此开闭附件插在第2管段20中，可以在关闭第2管段的关闭位置和脱离第2管段20后开放第2管段的开放位置之间直线运动。并且，如图4所示，开闭附件安装在关闭位置上时需要形成平面的形状，以确保沿着第2管段20传递的超声波被开闭附件反射后可以向相反的方向传递。

感应器(没有图示)负责感应管道1受到的冲击或震动，感应器可以使用加速感应器等。此感应器安装在管道或管道所在的建筑物上，感应管道受到的冲击或震动(如地震或建筑物崩塌等)并将感应到的信号传递到控制部。

控制部通过“传递时间差法”负责计算通过测量管40的流体的流速及流量，诊断测量管道内部的状态，控制截止阀。

首先，在截止阀开放以及流体正常流通的状态下，第1超声换能器50输出超声波，超声波向下传递一段距离遇到第1反射面41，被第1反射面反射后沿着第2管段20横向传递，之后在第2反射面42反射，再向上传递最后被第2超声换能器60接收。相反，第2超声换能器60输出超声波，超声波向下传递一段距离遇到第2反射面42，被第2反射面反射后沿着第2管段20横向传递，之后在第1反射面41反射，再向上传递最后被第1超声换能器50接收。

这时控制部测量从第1超声换能器50输出超声波的时间点开始，一直到超声波被第2超声换能器60接收为止所需的第1所需时间，和从第2超声换能器60输出超声波的时间点开始，一直到超声波被第1超声换能器50接收为止所需的第2所需时间。然后使用测量出的第1所需时间和第2所需时间的时间差计算流体的流速，再使用计算出的流体流速和测量管40的横断面积计算流体的流量。

当感应器感应到震动或冲击时，控制部向截止阀发出截止信号，开闭附件向关闭位置移动关闭测量管。尤其是当管道为家庭供应天然气管道时，像这样关闭测量管并中断向室内供应气体的措施可以有效地预防事故的发生。例如，发生地震或火灾时，室内的天然气供应管道可能会受到破坏，如果这时继续向室内供应气体，那么可能会发生气体泄漏或爆炸的事故。但是，在本实施例中，测量管40关闭后则可以有效地预防气体泄漏导致的后续事故。

另外，如图4所示，截止阀关闭时第1超声换能器50发出的超声波在开闭附件处反射后再次被第1超声换能器接收，第2超声换能器60发出的超声波在开闭附件处反射后再次被第2超声换能器接收。这时，控制部测量从第1超声换能器50发出超声波的时间点开始，一直到此超声波再次被第1超声换能器50接收所需要的第3所需时间,以及从第2超声换能器60发出超声波的时间点开始，一直到此超声波再次被第2超声换能器60接收所需要的第4所需时间。然后使用第3所需时间以及第4所需时间诊断测量管道内部的状态。

也就是说，超声波的传递速度是根据媒介(即，测量管道内部的物质)进行变化的。因此,测量管道内部充满流体时的第3所需时间和第4所需时间,以及测量管道内部充满空气时的第3所需时间和第4所需时间是不同的。所以比较第3所需时间和第4所需时间可以诊断截止的阀前面和后面的测量管道内部的状态。  

例如，截止阀前面的管道内部(连接在气体供应管道的一侧)在截止阀关闭的状态下应该充满气体，如果此区间的所需时间(第3所需时间)与事先设定的所需时间(气体正常充满状态下的时间)不同，那么说明此区间存在气体泄漏问题，这时就会发出警告声音。像这样，将第3所需时间以及第4所需时间和事先设定好的时间比较后可以诊断测量管道内部的状态(是否充满了气体)，通过这个过程可以检查管道是否有破损。

如上所述，在本实施例中超声波在第1超声换能器50和第2超声换能器60之间传递时拥有足够长的传递路径。另外，超声波不是在曲面而是在平面(第1反射面及第2反射面)上被反射,这样可以防止现有方法中超声波反射角的细微变化所导致的超声波接收不准确的问题产生，最后也就可以计算出正确的流体流量及流速了。

另外，安装了截止阀后可以在发生地震或火灾等危急情况时切断气体和流体的供应，诊断测量管的状态。

图5是本发明的另外一则实施例的超声流量计概念图。

参考图5,本实施例中超声流量计200包括测量管260、第1超声换能器270、第2超声换能器280、媒介附件290和控制部(没有图示)。

测量管260和前面说明的实施例中的测量管一样，具有第1管段20、第2管段220、第3管段230、第1反射面261及第2反射面262，但是本实施例中的测量管还包括第4管段240以及第5管段250。第4管段240通过连通形成，沿着横向安装。第4管段240左侧的端头连接在第1管段20上侧的端头上，右侧的端头连接在管道1上。第5管段250通过连通形成，沿着横向安装。第5管段250右侧的端头连接在第3管段230上侧的端头上,左侧的端头连接在管道1上。  

第3反射面263以及第4反射面264安装在测量管260上。第3反射面263为平面，在第1管段20和第4管段240连接的地方倾斜45度角安装。第4反射面264为平面,在第3管段230和第5管段250连接的地方倾斜45度角安装。 

第1超声换能器270安装在第4管段240的右侧端头上,向第3反射面263发送超声波。发送的超声波在第3反射面263上反射后向下传递，然后依次经过第1反射面261、第2反射面(262)以及第4反射面264的反射，最后被第2超声换能器280接收。

第2超声换能器280安装在第5管段250的左侧端头上,向第4反射面264发送超声波。发送的超声波在第4反射面264上反射后向下传递，然后依次经过第2反射面262、第1反射面261及第3反射面263的反射，最后被第1超声换能器270接收。

媒介附件290为管形形态,第一管段端头连接在第1超声换能器270上，另一端头连接在第2超声换能器280上。第1超声换能器(或第2超声换能器)发出超声波时,超声波不是只向前方（正面方向）发送，而是如图5的箭头(a)指示的方向一样也同时向后方(逆方向)发送。这时，向后方发送的超声波通过媒介附件290进行传递，然后被第2超声换能器280接收。并且，媒介附件的外表面经过了隔热处理，可以保持和沿着测量管流动的流体一样的温度。

控制部测量从第1超声换能器270发出超声波的时间点开始，一直到超声波(向正面方向发出的超声波)依次经过反射面被第2超声换能器280接收所需要的第1所需时间，以及从第2超声换能器280发超声波的时间点开始，一直到超声波依次经过反射面被第1超声换能器270 接收所需要的第2所需时间。然后使用第1所需时间和第2所需时间的时间差计算流体的流量及流速。

一方面，控制部测量从第1超声换能器270发出超声波的时间点开始，一直到沿着逆方向传递的超声波通过媒介附件290传递被第2超声换能器280接收为止所需要的时间，使用这个时间计算媒介附件的温度290(不同的温度条件下媒介附件内部的超声波传递速度也会有所变化，因此，知道媒介附件的长度、物理特性以及超声波传递时间后可以计算出温度)。将通过这样的过程计算出的温度数据反映到流体流速计算过程中将会得出更加准确的流速及流量。 

以上内容以本发明的优选实施例为例进行了详细说明，但本发明不局限于实施例，在本发明权利要求书的要求范围内，本发明所属技术领域的普通技术人员能够在本发明的技术思想以及范围内进行各种变形及变更。

例如，在前面说明的实施例中，可以通过将超声换能器安装在测量管的外壁上(即干式方法),或者在测量管上开设贯通孔，将超声换能器插入贯通孔(即,湿式方法)等方式安装超声换能器。这样，超声波通过测量管时可以防止其强度减小的问题的发生，因此，超声换能器即使发出较为微弱的超声波也可以计算出流体的流速及流量。 

Claims (8)

1.一种超声流量计，其特征在于：所述的超声流量计包括：

一个测量管40，所述测量管40具有第1管段10,沿着一个方向延伸，第一管段10的一个端头连通到测量管40的管道1上；第2管段20,沿着与第1管段交叉的方向延伸，第2管段的一个端头和第1管段的另一端头连接；第3管段30,沿着与第2管段20交叉的方向延伸，第3管段30的一个端头和第2管段的另一端头连接，第3管段30的另一端头连接到测量管40的管道1上，第一管段10、第2管段20和第3管段30形成一个连通的形式；所述测量管40还配备有第1反射面41和第2反射面42，所述第1反射面41在第1管段10和第2管段20连接处形成平面，将沿着第1管段纵向传递的超声波向第2管段横向反射；所述第2反射面在第2管段和第3管段连接处形成平面，将沿着第2管段横向传递的超声波向第3管段纵向反射；

第1超声换能器50，用以在第1管段10的一个端头向其他端头传递超声波；

第2超声换能器60，用以在第3管段30的一个端头向其他端头传递超声波；

控制部，测量从第1超声换能器50输出超声波的时间点开始，一直到此超声波依次经过第1反射面41及第2反射面42反射后，被第2超声换能器60接收的时间点为止所需要的第1所需时间，以及从第2超声换能器42输出超声波的时间点开始，一直到此超声波依次经过第2反射面42及第1反射面41的反射后，被第1超声换能器50接收的时间点为止所需要的第2所需时间，通过第1所需时间和第2所需时间的时间差计算测量管道内部流体的流速及流量。

2.根据权利要求1所述超声流量计，其特征为：所述第1超声换能器41安装在第1管段10的上端头，向第1管段10的另一端头发送超声波；所述第2超声换能器42安装在第3管段30的上端头，向第3管段30的另一端头发送超声波。

3.根据权利要求2所述超声流量计，其特征为：所述第1管段10和第2管段20直角交叉，第1管段20和第3管段30相对并排设置。

4.根据权利要求3所述超声流量计，其特征为：所述测量管260还包括：

第4管段240，所述第4管段240的一个端头与第1管段210的一个端头相通，另一端头连通到管道1上；

第5管段250，所述第5管段250的一个端头和第3管段230的一个端头相通，另一端头连通到管道1上；

第3反射面263，所述第3反射面263是在第1管段210和第4管段240连接处形成的平面；

第4反射面264，所述第4反射面264是在第3管段230和第5管段250连接处形成的平面；

所述第1超声换能器270与第4管段240连接，向第3反射面263输出超声波；

所述第2超声换能器280与第5管段250连接，向第4反射面264输出超声波。

5.根据权利要求4所述超声流量计，其特征为：所述超声流量计200还包括媒介附件290，所述媒介附件290的一个端头与第1超声换能器270连接,另一端头连接在第2超声换能器280上；

所述控制部测量从第1超声换能器270发出超声波的时间点开始，一直到此超声波通过媒介附件290传递被第2超声换能器280接收为止所需要的时间，使用测量的时间测量流体温度。

6.根据权利要求5所述超声流量计，其特征为：所述超声流量计200还包括截止阀，所述截止阀安装在超声波的传递路径中，位于第1超声换能器270和第2超声换能器280之间，配备有可以在开放测量管的开放位置和关闭测量管的关闭位置之间移动的开闭附件。

7.根据权利要求6所述超声流量计，其特征为：当所述超声流量计200的开闭附件处于关闭位置上时，所述第1超声换能器270发出的超声波在开闭附件中反射后被第1超声换能器270接收，所述第2超声换能器280发出的超声波在开闭附件中反射后被第2超声换能器280接收；所述控制部测量从第1超声换能器270发出超声波的时间点开始，一直到此超声波在开闭附件反射后被接收为止所需要的第3所需时间,以及从第2超声换能器280发出超声波的时间点开始，一直到此超声波在开闭附件反射后被接收为止所需要的第4所需时间，使用第3所需时间和第4所需时间诊断测量管道内部的状态。

8.根据权利要求1-7其中之一所述超声流量计，其特征为：所述超声流量计200还包括感应器，感应管道受到的冲击或震动，所述控制部在感应器感应到冲击或震动时，向所述截止阀发送截止信号以关闭测量管。