CN105091990A - 一种超声波流量计无水检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波流量计无水检测方法，通过在超声波流量计上安装检测设备，即将两个检测探头分别与同一声路上的被测超声波换能器对接，用检测电缆将两个检测探头与无水检测仪进行连接，来进行超声波流量计的无水检测。本发明可使超声波流量计在无水情况下对换能器、连接电缆、超声收发电路以及声速准确度等进行检测。提高检测效率，缩短检测过程，降低超声波流量计投运和维护成本，提高流量计系统投运效率。

Description

一种超声波流量计无水检测方法

技术领域

本发明涉及一种超声波流量计无水检测方法，属于水利水电测量仪器检测技术领域。

背景技术

超声波流量计无可动部件，可以实现非接触高精度测量，具有量程宽、无压损、溯源性好、成本对口径变动不敏感等优点，因此在中大管径流量测量方面具有明显优势。

超声波流量计检测目的是确保测量装置能在静水和动水情况下换能器和流量测量功能都能正常工作，当出现异常时，可通过多次检测查找原因，帮助调试和维护人员解决问题。

用于水流量测量的超声波换能器共振频率一般为1MHz，超声波在水中传播速度约为1457m/s，而空气中传播速中只有340m/s，若暴露在空气中超声能量将很快消弱，在无水情况下，当一侧换能器发射超声波后，其对侧换能器基本上收不到任何信号。

因而传统超声波流量计检测必须在管道充满水的情况下才能进行，如果换能器或连接电缆有故障，只有将流道中的水排干更换，很不方便。这必然受很多客观条件的影响，特别是对于大口径大流量系统，如水电站、泵站、大型引水渠道等，其建设、安装和维护停水周期都非常长，若由于无水原因而不能及时对已经安装好的超声波流量系统进行检验，则必须要等到下一次大修才能进行，因此时间间隔必将延长，人力和投运成本必将大大增加。而对于大型引水渠道，一旦投运之后，可能就无法对超声波换能器进行更换。

目前国内外还没有专用的超声波流量计无水检测设备与相应方法。目前在无水时，对于超声波换能器检测，现场调试与维护人员大多采用人耳通过声音来进行判断，当超声波从换能器中发出时，会激发一些机械低频振动产生的声音，比如“吱吱”的声音，如果没有声音则说明换能器或电缆存在问题。

无水时通过耳朵来判断超声波换能器的好坏，存在下面几个缺点

1)耳朵判断带有一定的主观性，且对于个体而言，听力的好坏对于检测的结果存在误差。

2)耳朵判断不能量化信号的特征，如不能判断信号的频率，如果超声波换能器型号使用有误，通过耳朵就不能识别出这种错误。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波流量计无水检测方法，在无水的情况下，借助无水检验设备通过接收超声波换能器发出的信号，判断信号特征，解决了耳朵判断客观性差及不能量化的缺点。

本发明采用的技术方案如下：

一种超声波流量计无水检测方法，包括以下步骤：

1)在被测超声波流量计上安装无水检测设备，所述无水检测设备包括检测探头A和检测探头B、检测电缆和无水检测仪；所述两个检测探头分别与同一声路上的被测超声波换能器对接；所述两个检测探头均通过检测电缆与无水检测仪进行连接；

2)给无水检测仪上电，并设置参数，包括声路长、声速、模拟水的流速，然后开始检测；

3)对声路正向传播时间进行测量，具体包括以下步骤：

3-1)超声波流量计通过发射电路向换能器A发射高压脉冲产生超声波；

3-2)检测探头A接收超声波并转换成电信号传递给无水检测仪；

3-3)无水检测仪若始终接收不到超声电信号则提醒调试维护人员查找原因，然后跳转至步骤4)，对声路逆向传播时间进行测量；无水检测仪若接收到超声电信号，则转入步骤3-4)；

3-4)无水检测仪接收到有效超声电信号后，根据设置参数，模拟水流情况，经过一定延时后，通过检测探头B向换能器B发出超声波信号，然后转入步骤3-5)；

3-5)若超声波流量计接收到与换能器B固有频率相同的正弦波形信号时，表示检测到信号，则转入步骤3-6)；若超声波流量计检测不到信号，则跳转至步骤4)，对声路逆向传播时间进行测量；

3-6)超声波流量计接收到超声波信号后，根据传播计数计算正向传播时间；然后进行步骤4)；

4)对声路逆向传播时间进行测量，具体包括以下步骤：

4-1)超声波流量计通过发射电路向换能器B发射高压脉冲产生超声波；

4-2)检测探头B接收超声波并转换成电信号传递给无水检测仪；

4-3)无水检测仪若始终接收不到超声电信号，则提醒调试维护人员查找原因，然后跳转至步骤6)，对整体检测结果进行分析；无水检测仪若接收到超声电信号，则转入步骤4-4)；

4-4)无水检测仪接收到有效超声电信号后，根据设置参数，模拟水流情况，经过一定延时后，通过检测探头A向换能器A发出超声波信号，然后转入步骤4-5)；

4-5)若超声波流量计接收到与换能器A固有频率相同的正弦波形信号时，表示检测到信号，则转入步骤4-6)；若超声波流量计检测不到信号，则提醒调试维护人员需查找原因，然后跳转至步骤6)，对整体检测结果进行分析；

4-6)超声波流量计接收到超声波信号后，根据传播计数计算逆向传播时间；然后进行步骤5)；

5)计算超声波流量计的流速和声速，具体为：当所述步骤3)和步骤4)的正、逆向测量都正常时，根据所述步骤3)和步骤4)获得的正、逆向传播时间以及所述步骤2)设置的参数计算出水流流速，水中声速以及瞬时流量；

6)进行检测结果分析，具体为：如果正、逆向测量出现异常即在正、逆向测量过程中，检测不到超声波信号，则可多次重复所述步骤3)和步骤4)的检测流程，直到查出问题原因并解决；如果正、逆向测量都正常，则对水中声速准确度进行检测。

前述的两个检测探头与被测超声波换能器的对接面涂以耦合剂。

前述的步骤5)中，

水流流速的计算公式为： $V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\α}}\×(\frac{1}{T_u}-\frac{1}{T_d})$

其中，V为水流流速，α为水流流速与声路的夹角，L为声路长，T_u为正向传播时间，T_d为逆向传播时间；

水中声速的计算公式为： $C=\frac{L}{2}\×(\frac{1}{T_u}+\frac{1}{T_d})$

其中，C为水中声速；

瞬时流量的计算公式为：Q＝V×S

其中，Q为瞬时流量，S为管道面积。

前述的步骤6)中，对水中声速准确度进行检测是指，当所述步骤3)、步骤4)的正、逆向测量都正常时，完成测量后超声波流量计上都会有声速测量结果，将测量结果与当前无水检测仪上设定的声速值进行比较计算，将无水检测仪上设定的声速作为标准声速。

前述的水中声速准确度的检测标准为声速测量结果与标准声速偏差小于0.2％。

本发明可解决超声波流量计出厂前检验和现场无水检测问题，提高检测效率，缩短检测过程，降低超声波流量计投运和维护成本，提高流量计系统投运效率，保证运行时的测量精度，同时也为出厂前流量测量功能检验提供方法。

附图说明

图1为超声波流量计工作原理图；

图2为本发明的超声波流量计无水检测设备安装结构示意图；

图3为本发明的无水检测流程图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

超声波流量计检测与其工作原理密切相关，超声波流量计发展至今，在众多种测量方法中，时差法超声波流量计具有测量方式简单和计量精度高等优点，一直备受关注。时差法超声波流量计其原理是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速，从而计算出流量。

时差法超声波流量计工作原理如图1所示，这是一个有压管道的流量测量示意图。超声波换能器A和B为同一声路中的一对换能器，当其中一个用作发射换能器时，另一个则作为接收换能器。如图1所示，当超声波顺流从换能器A发出到换能器B收到所经历的时间则为顺流传播时间T_u，当超声波逆流从换能器B发出到换能器A收到所经历的时间则为逆流传播时间T_d。

$T_u=\frac{L}{C+V\×cos\mathrm{\α}}---(1-1)$

$T_d=\frac{L}{C-V\×cos\mathrm{\α}}---(1-2)$

其中，L为超声波传播路径，α为流速与超声波传播路径的夹角，V为平行于轴向的平均流速，C为水中的声速。

超声波信号在流体中传播，顺流时传播速度较逆流时传播速度快，相应的其顺流传播时间T_u就较逆流传播时间T_d短，从而顺逆流方向声波信号传播时间存在差值(即时差)。时差法超声波流量计就是根据流体流速与时差存在线性关系原理进行测量的，只要准确测定顺逆流时间，就可求出流速和水中的声速：

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\α}}\×(\frac{1}{T_u}-\frac{1}{T_d})---(2-1)$

$C=\frac{L}{2}\×(\frac{1}{T_u}+\frac{1}{T_d})---(2-2)$

如果管道面积为S，进而可以求出管道的瞬时流量Q：

Q＝V×S(3)。

实现超声波无水检测首先要具备相关无水检测设备，如图2所示，本发明的检测设备包括两个检测探头、检测电缆和无水检测仪。

在进行无水检测时，首先：

两个检测探头分别与同一声路上的被测超声波换能器对接，为确保接触良好，对接面可涂以耦合剂，防止存在空气间隙；

用检测电缆将两个检测探头与无水检测仪进行连接；

无水检测仪上电，并设置参数，包括声路长、声速、模拟水的流速等。

检测时不需要对超声波流量计主机参数进行任何修改，超声波流量计按照正常工作设置定时对管道内水流速流量进行测量，每个测量周期内与无水检测仪配合检测流程描述如图3所示，包括：

1、检测开始后，首先对声路正向传播时间进行测量：

1)超声波流量计通过发射电路向换能器A发射高压脉冲产生超声波；

2)检测探头A接收超声波并转换成电信号传递给无水检测仪；

3)无水检测仪若始终接收不到超声电信号会提醒调试维护人员查找原因，流程将跳转至步骤2，对声路逆向传播时间进行测量；无水检测仪若接收到超声电信号，则转入步骤4)；

4)无水检测仪接收到有效超声电信号后，根据设置参数，模拟水流情况，作一定延时(公式1-1)后，通过检测探头B向换能器B发出超声波信号，然后转入步骤5)；

5)若超声波流量计接收到与换能器固有频率相同的类似正弦波形信号时，表示检测到信号，则转入步骤6)；若超声波流量计检测不到信号，则流程跳转至步骤2，对声路逆向传播时间进行测量；

6)超声波流量计接收到超声波信号后，根据传播计数计算正向传播时间；然后进行步骤2。

2、对声路逆向传播时间进行测量；

1)超声波流量计通过发射电路向换能器B发射高压脉冲产生超声波；

2)检测探头B接收超声波并转换成电信号传递给无水检测仪；

3)无水检测仪若始终接收不到超声电信号会提醒调试维护人员查找原因，流程将跳转至步骤4，对整体检测结果进行分析；无水检测仪若接收到超声电信号，则转入步骤4)；

4)无水检测仪接收到有效超声电信号后，根据设置参数，模拟水流情况，作一定延时(公式1-2)后，通过检测探头A向换能器A发出超声波信号，然后转入步骤5)；

5)若超声波流量计接收到与换能器固有频率相同的类似正弦波形信号时，表示检测到信号，则转入步骤6)；若超声波流量计检测不到信号，则提醒调试维护人员需查找原因，然后流程将跳转至步骤4，对整体检测结果进行分析；

6)超声波流量计接收到超声波信号后，根据传播计数计算逆向传播时间。

3、流量计流速和声速计算

当正逆向测量都正常时，根据步骤1和步骤2获得的正逆向传播时间以及管道参数计算出水流流速和水中声速(公式2-1和公式2-2)，以及瞬时流量(公式3)。

4、检测结果分析

对正逆向测量出现异常现象(检测不到超声波信号)进行分析，若有必要可多次重复以上检测流程，直到查出问题原因并解决，此种情况大多是由换能器或相关收发电路损坏导致。

当正逆向测量都正常时，完成测量后超声波流量计装置上都会有声速测量结果，可对水中声速准确度进行检测，将测量结果与当前无水检测仪上设定的声速值进行比较计算，此时无水检测仪上设定的声速可认为是标准声速。根据《JJF1358-2012非实流法校准DN1000～DN15000液体超声流量计校准规范》要求，声速测量结果与标准声速偏差应小于0.2％。

另外，

本发明在检测时不需要对流量计参数进行任何修改，可在正常工作周期内完成检测。

当管道使用多声路进行流量测量时，本发明的无水检测方法同样适用，只需对其他声路依次进行检测即可。

当不需要对声速准确度进行检测时，以及只需要简单判断换能器及相关电路是否正常时，可简化检测流程。图2中，可只需要一支检测探头，通过无水检测仪，分别对换能器A和B的发射波形进行检测，若能检测到超声波形，基本上可确认换能器A或B正常，相关电路也没有问题。

本发明的无水检测方法以管道进行说明，该方法同样适用于方涵、异形涵、明渠和异形渠等不同形状的超声波流量计检测。

Claims (5)

1.一种超声波流量计无水检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在被测超声波流量计上安装无水检测设备，所述无水检测设备包括检测探头A和检测探头B、检测电缆和无水检测仪；所述两个检测探头分别与同一声路上的被测超声波换能器对接；所述两个检测探头均通过检测电缆与无水检测仪进行连接；

2)给无水检测仪上电，并设置参数，包括声路长、声速、模拟水的流速，然后开始检测；

3)对声路正向传播时间进行测量，具体包括以下步骤：

3-1)超声波流量计通过发射电路向换能器A发射高压脉冲产生超声波；

3-2)检测探头A接收超声波并转换成电信号传递给无水检测仪；

3-3)无水检测仪若始终接收不到超声电信号则提醒调试维护人员查找原因，然后跳转至步骤4)，对声路逆向传播时间进行测量；无水检测仪若接收到超声电信号，则转入步骤3-4)；

3-4)无水检测仪接收到有效超声电信号后，根据设置参数，模拟水流情况，经过一定延时后，通过检测探头B向换能器B发出超声波信号，然后转入步骤3-5)；

3-5)若超声波流量计接收到与换能器B固有频率相同的正弦波形信号时，表示检测到信号，则转入步骤3-6)；若超声波流量计检测不到信号，则跳转至步骤4)，对声路逆向传播时间进行测量；

3-6)超声波流量计接收到超声波信号后，根据传播计数计算正向传播时间；然后进行步骤4)；

4)对声路逆向传播时间进行测量，具体包括以下步骤：

4-1)超声波流量计通过发射电路向换能器B发射高压脉冲产生超声波；

4-2)检测探头B接收超声波并转换成电信号传递给无水检测仪；

4-3)无水检测仪若始终接收不到超声电信号，则提醒调试维护人员查找原因，然后跳转至步骤6)，对整体检测结果进行分析；无水检测仪若接收到超声电信号，则转入步骤4-4)；

4-4)无水检测仪接收到有效超声电信号后，根据设置参数，模拟水流情况，经过一定延时后，通过检测探头A向换能器A发出超声波信号，然后转入步骤4-5)；

4-5)若超声波流量计接收到与换能器A固有频率相同的正弦波形信号时，表示检测到信号，则转入步骤4-6)；若超声波流量计检测不到信号，则提醒调试维护人员需查找原因，然后跳转至步骤6)，对整体检测结果进行分析；

4-6)超声波流量计接收到超声波信号后，根据传播计数计算逆向传播时间；然后进行步骤5)；

5)计算超声波流量计的流速和声速，具体为：当所述步骤3)和步骤4)的正、逆向测量都正常时，根据所述步骤3)和步骤4)获得的正、逆向传播时间以及所述步骤2)设置的参数计算出水流流速，水中声速以及瞬时流量；

6)进行检测结果分析，具体为：如果正、逆向测量出现异常即在正、逆向测量过程中，检测不到超声波信号，则可多次重复所述步骤3)和步骤4)的检测流程，直到查出问题原因并解决；如果正、逆向测量都正常，则对水中声速准确度进行检测。

2.根据权利要求1所述的一种超声波流量计无水检测方法，其特征在于，所述两个检测探头与被测超声波换能器的对接面涂以耦合剂。

3.根据权利要求1所述的一种超声波流量计无水检测方法，其特征在于，所述步骤5)中，

水流流速的计算公式为： $V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\α}}\×(\frac{1}{T_u}-\frac{1}{T_d})$

其中，V为水流流速，α为水流流速与声路的夹角，L为声路长，T_u为正向传播时间，T_d为逆向传播时间；

水中声速的计算公式为： $C=\frac{L}{2}\×(\frac{1}{T_u}+\frac{1}{T_d})$

其中，C为水中声速；

瞬时流量的计算公式为：Q＝V×S

其中，Q为瞬时流量，S为管道面积。

4.根据权利要求1所述的一种超声波流量计无水检测方法，其特征在于，所述步骤6)中，对水中声速准确度进行检测是指，当所述步骤3)、步骤4)的正、逆向测量都正常时，完成测量后超声波流量计上都会有声速测量结果，将测量结果与当前无水检测仪上设定的声速值进行比较计算，将无水检测仪上设定的声速作为标准声速。

5.根据权利要求4所述的一种超声波流量计无水检测方法，其特征在于，所述水中声速准确度的检测标准为声速测量结果与标准声速偏差小于0.2％。