CN105181050A - 超声波流量计量仪表及用于该仪表的星形轨迹检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声波流量计量仪表，包括测量管体、换能器和反射面，其特征在于所述测量管体内壁圆周设有反射面，所述测量管体侧壁至少设有一对换能器，所述一对换能器与测量管体的中心交点在同一纵切面上，且所述一对换能器横向方向的中心轴线的夹角等于所述换能器发出的超声波信号的折射夹角，通过超声波信号沿着测量管体内壁的反射面反复折射形成星形轨迹传播，使得超声波轨迹均匀涵盖测量管体内的整个流通区域，使测量管体内反射面不存在三维角度，易于加工制造且不影响测量管体的圆管形状，并通过一对换能器有效测得截面大部分区域速度，实现对不均匀的复杂流动的准确测量。

Description

超声波流量计量仪表及用于该仪表的星形轨迹检测方法

技术领域

本发明涉及流量计量技术领域，具体地说是一种超声波流量计量仪表及用于该仪表的星形轨迹检测方法。

背景技术

众所周知，超声波时差法测速是目前广泛的应用在超声波仪表的流量流速计量中，其原理是安装在超声波测量管体的成对超声波换能器交替发射和接收超声波信号，超声波按一定的轨迹传播，通过电子器件记录处理顺逆流超声波传播的时间差得到超声波轨迹上流体的线平均速度，但是该速度并非测量管体横截面的面平均速度；且两者之间的比值系数与温度、流量、流体流动状态相关。其中温度和流量引发的系数变化可通过经验或CFD模拟进行确定；流体流动状态则与实际工况有关，为无规律变化（如表前有变径，则管道内局部流速会较快，其他部会较慢），由于不同的工况，线平均速度与面平均速度的比值系数的可能引发达到30%以上波动。

现有市场的超声波流量仪表（超声波热量表/水表/流量计）的超声波传播轨迹一般采用平行支架式、Z型、V型、W型及这四种形式的多声道复合型，这四种基础形式的均是过管道轴线的超声波轨迹，其测的先平均速度均不能有效反映速度不规则的面平均速度；多声道复合形式通过多个声道轨迹的线速度拟合，能够有效的反映不规则的面平均速度，但是常常需要4对以上乃至十几对换能器才能达到目的，除去换能器对和计算器的成本增加，其中平行支架式多声道需要在测量管体内排布过多的反射面支架大大堵塞测量管体管道，Z型、V型、W型需要在测量管体上加工、安装高精度、高难度的换能器安装座和超声波反射面也大大增加了产品的成本。

近期有一种三维多反射声道的产品采用七次反射，使得超声波轨迹均匀涵盖测量管体横截面的大部分区域，从而通过一对换能器有效测得截面大部分区域速度。但该发明的测量管体截面为正方形，增大了测量管体的压损与加工难度；其中两组反射面为三维角度，加工工艺与装配工艺及其复杂，若有微小误差，则不能有效反射超声波信号，可推广应用性低。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种加工方便、安装快捷、检测精度高、成本低廉，并使超声波信号沿着星形轨迹传播反射、对复杂的不均匀的流动状态流体流速进行计量的超声波流量计量仪表，同时，还提供一种方法独特、互不干扰的星形轨迹检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种超声波流量计量仪表，包括测量管体、一对换能器和反射面，所述一对换能器包括反射换能器和接收换能器，其特征在于所述测量管体内壁圆周设有反射面，所述测量管体侧壁至少设有一对换能器安装座，所述一对换能器分别安装在一对换能器安装座内，所述一对换能器与测量管体的中心交点在同一纵切面上，且所述一对换能器横向方向的中心轴线的夹角等于所述换能器发出的超声波信号的折射夹角，通过超声波信号沿着测量管体内壁的反射面反复折射形成星形轨迹传播，使得超声波轨迹均匀涵盖测量管体内的整个流通区域，使测量管体内反射面不存在三维角度，易于加工制造且不影响测量管体的圆管形状，并通过通过一对换能器有效测得截面大部分区域速度，实现对不均匀的复杂流动的准确测量。

本发明所述测量管体内的反射面呈狭长的长方形，所述测量管体内壁是由n个反射面沿测量管体内壁圆周阵列而形成的多边形内镜，且反射面面平行于测量管体轴线，以利于支持多声道的复合型测量，当测量管体上设有多组换能器时，只需要增加换能器安装座，使多个声道共用反射面面进行星形轨迹的信号传播，互不干扰，大大提高了流体的测量精度。

本发明所述反射面的宽度为10mm-20mm。通过一对换能器的超声波全方位扫描测量管体内流体全部的流通空间，使本发明能够在较大流量、温度、不规则流动变化范围内，及在量程比250:1情况下、4℃至150℃温度变化范围内、测量管体前为0直管段安装环境下正常工作，精确测量流体流速，使测量精度进一步达到±1%的作用。

一种用于超声波流量计量仪表的星形轨迹检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：建立近似圆柱坐标系，圆柱坐标系的Z轴为测量管体两个换能器孔在测量管体上的轴向长度，圆柱坐标系的柱面直径为测量管体的公称直径；

超声波信号反射i-1次，取3＜i＜x，

当x受制于超声波反射多次后信号逐渐削弱到可接收的程度，

目前，x最大可取11，形成i条线平均速度；在以上坐标系的柱面圆上绘制n边形，且5＜n＜y，

y受制于测量管体截面圆周长与换能器直径的比，

目前，y最大可取至20，

标记n边形的角编号为0、1、2、3……n-1；

将该测量管体的两个换能器孔之间的圆柱沿轴向距离i等分，标记截面编号a、b、c……（共i+1个截面）；

由以上两组参数建立一个近似柱面坐标系，截面编号为轴坐标，角编号为垂直轴向截面坐标，各取每组一个参数组成为一个位置点，连续的位置点依次相连即形成超声波信号轨迹；

各个发射、接收、反射位置点坐标：

（a，0）其中：1<m<n/2

（b，MOD（1*m，n））MOD（a，b）为a除以b的余数

（c，MOD（2*m，n））

（d，MOD（3*m，n））

……

（i，MOD（i*m-m，n））

（i+1，0）

注：当参数n与m存在公因数时，则产生的星形轨迹相同；例如对于n=5、m=2将产生一个五角星的投影，而n=10、m=4时，将产生相同的五角星投影；因此本发明方法是开放的也是有数量上限，可操作，不会产生过多的方案，令设计者无从选择；

步骤2：超声波信号轨迹首尾两点为换能器安装点，沿首尾线段方向为轴心定位换能器的安装座。

本发明由于采用上述结构和检测方法，具有加工方便、安装快捷、检测精度高、成本低廉等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3是图2中I的放大图。

附图标记：测量管体D换能器A、B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明：

如附图所示，一种超声波流量计量仪表，包括测量管体D和一对换能器A、B，所述一对换能器A、B包括反射换能器和接收换能器，其特征在于所述测量管体内壁圆周设有反射面C，所述测量管体D侧壁至少设有一对换能器安装座，所述一对换能器A、B分别安装在一对换能器安装座内，所述一对换能器A、B与测量管体D的中心交点在同一纵切面上，且所述一对换能器A、B横向方向的中心轴线的夹角等于所述换能器发出的超声波信号经过反射面C折射出的夹角，通过超声波信号沿着测量管体D内壁的反射面C反复折射形成星形轨迹传播，使得超声波轨迹均匀涵盖测量管体D内的整个流通区域，使测量管体D内的反射面C不存在三维角度，易于加工制造且不影响测量管体的圆管形状，并通过通过一对换能器A、B有效测得截面大部分区域速度，实现对不均匀的复杂流动的准确测量。

本发明所述测量管体D内的反射面C呈狭长的方形凹槽，所述测量管体D内壁圆周阵列有n（n不小于5）个反射面C，且反射面C与测量管体D轴线平行，以利于支持多声道的复合型测量，当测量管体D上设有多组换能器A、B时，只需要增加换能器安装座，使多个声道共用反射面进行星形轨迹的信号传播，互不干扰，大大提高了流体的测量精度。

本发明所述反射面C的宽度为10mm-20mm，通过一对换能器A、B的超声波全方位扫描测量管体D内流体全部的流通空间，使本发明能够在较大流量、温度、不规则流动变化范围内，及在量程比250:1情况下、4℃至150℃温度变化范围内、测量管体D前为0直管段安装环境下正常工作，精确测量流体流速，使测量精度进一步达到±1%的作用。

一种用于超声波流量计量仪表的星形轨迹检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：建立近似圆柱坐标系，圆柱坐标系的Z轴为测量管体两个换能器孔在测量管体D上的轴向长度，圆柱坐标系的柱面直径为测量管体D的公称直径；

超声波信号反射i-1次，取3＜i＜x，

当x受制于超声波反射多次后信号逐渐削弱到可接收的程度，

目前，x最大可取11，形成i条线平均速度；在以上坐标系的柱面圆上绘制n边形，且5＜n＜y，

y受制于测量管体D截面圆周长与换能器直径的比，

目前，y最大可取至20，

标记n边形的角编号为0、1、2、3……n-1；

将该测量管体D的两个换能器孔之间的圆柱沿轴向距离i等分，标记截面编号a、b、c……（共i+1个截面）；

由以上两组参数建立一个近似柱面坐标系，截面编号为轴坐标，角编号为垂直轴向截面坐标，各取每组一个参数组成为一个位置点，连续的位置点依次相连即形成超声波信号轨迹；

各个发射、接收、反射位置点坐标：

（a，0）其中：1<m<n/2

（b，MOD（1*m，n））MOD（a，b）为a除以b的余数

（c，MOD（2*m，n））

（d，MOD（3*m，n））

……

（i，MOD（i*m-m，n））

（i+1，0）

注：当参数n与m存在公因数时，则产生的星形轨迹相同；例如对于n=5、m=2将产生一个五角星的投影，而n=10、m=4时，将产生相同的五角星投影；因此本发明方法是开放的也是有数量上限，可操作，不会产生过多的方案，令设计者无从选择；

步骤2：超声波信号轨迹首尾两点为换能器安装点，沿首尾线段方向为轴心定位换能器的安装座。

如附图1、2所示，本发明在使用时，反射换能器A发出的超声波信号，经过反射面C反射，并通过测量管体内的反射面按照星形轨迹传播后信号与接收换能器B接收，所述测量管体的反射面C平行于测量管体轴线，本发明的超声波发射、反射、接收点在测量管体圆管B上的位置坐标由测量管体内壁沿圆周轴向等距截面为a、b、c、d、e、f、g……，测量管体n边星形轨迹节点位置0、1、2、3、4……两组数据各取一点组成。

本发明涉及3个可变参数反射轨迹的线段数量i、反射节点的均分量n、轨迹线段的跨度设计标准m，可根据公称直径和电子器件的性能进行选择，是一种开放的设计方法，因此特举例说明在实际应用过程中的步骤。

举例说明1：

取i=7，n=7，m=2

超声波信号反射6次，形成7条线平均速度；在柱面坐标系的柱面圆上绘制7边形，标记7边形的角编号为0、1、2、3、4、5、6，将该测量管体的两个换能器孔之间的圆柱沿轴向距离7等分，标记截面编号a、b、c、d、e、f、g、h。由以上两组参数建立一个近似柱面坐标系，截面编号为轴坐标，角编号为垂直轴向截面坐标，各取每组一个参数组成为一个位置点，连续的位置点依次相连即形成超声波信号轨迹；

各个发射、接收、反射位置点坐标：

P1：（a，0）

P2：（b，2）

P3：（c，4）

P4：（d，6）

P5：（e，1）

P6：（f，3）

P7：（g，5）

P8：（h，0）

而后，以直线P1P2和P7P8为轴线，定位换能器安装孔。

举例说明2：

取i=7，n=7，m=3

超声波信号反射6次，形成7条线平均速度；在柱面坐标系的柱面圆上绘制7边形，标记7边形的角编号为0、1、2、3、4、5、6。将该测量管体的两个换能器孔之间的圆柱沿轴向距离7等分，标记截面编号a、b、c、d、e、f、g、h。由以上两组参数建立一个近似柱面坐标系，截面编号为轴坐标，角编号为垂直轴向截面坐标，各取每组一个参数组成为一个位置点，连续的位置点依次相连即形成超声波信号轨迹；

各个发射、接收、反射位置点坐标：

P1：（a，0）

P2：（b，3）

P3：（c，6）

P4：（d，2）

P5：（e，5）

P6：（f，1）

P7：（g，4）

P8：（h，0）

而后，以直线P1P2和P7P8为轴线，定位换能器安装孔；

其中A、B为换能器安装座，D为测量管体轴向截面位置，即超声波信号发射、反射、接收的轴向位置，C为测量管体的反射面，沿测量管体均布。

举例说明3：

取i=5，n=7，m=3

超声波信号反射4次，形成5条线平均速度；在柱面坐标系的柱面圆上绘制7边形，标记7边形的角编号为0、1、2、3、4、5、6，将该测量管体的两个换能器孔之间的圆柱沿轴向距离5等分，标记截面编号a、b、c、d、e、f。由以上两组参数建立一个近似柱面坐标系，截面编号为轴坐标，角编号为垂直轴向截面坐标，各取每组一个参数组成为一个位置点，连续的位置点依次相连即形成超声波信号轨迹；

各个发射、接收、反射位置点坐标：

P1：（a，0）

P2：（b，3）

P3：（c，6）

P4：（d，2）

P5：（e，5）

P6：（f，1）

而后，以直线P1P2和P5P6为轴线，定位换能器安装孔。

本发明采用一种星形轨迹设计法设计的超声波流量仪表的测量管体，与以往超声波仪表测量管体的测量轨迹相比，可实现超声波全方位扫描圆形管道内流体全部的流通空间，能够在较大流量、温度、不规则流动变化范围内，测量有效信号；即在量程比250:1情况下、4℃至150℃温度变化范围内、表前为0直管段安装环境下，正常工作，准确测量流体流速，测量精度可达到±1%；与其它全覆盖测量管体相比，本测量管体的超声波反射面采用机械设备直接加工，无需固定反射面，且无三维角度，适合批量化生产制造；支持多声道复合型设计，新增声道只是按照旋转对称增加换能器，因此可共用超声波发射面，不增加测量管体成本，本发明具有加工方便、安装快捷、检测精度高、成本低廉等优点。

Claims (4)

1.一种超声波流量计量仪表，包括测量管体D和一对换能器A、B，所述一对换能器A、B包括反射换能器和接收换能器，其特征在于所述测量管体内壁圆周设有反射面，所述测量管体侧壁至少设有一对换能器安装座，所述一对换能器分别安装在一对换能器安装座内，所述一对换能器与测量管体的中心交点在同一纵切面上，且所述一对换能器横向方向的中心轴线的夹角等于所述换能器发出的超声波信号经过反射面折射出的夹角，通过超声波信号沿着测量管体内壁的反射面反复折射形成星形轨迹传播。

2.根据权利要求1所述的一种超声波流量计量仪表，其特征在于所述测量管体内的反射面呈狭长的方形凹槽，所述测量管体内壁圆周阵列有n个反射面，且反射面与测量管体轴线平行。

3.根据权利要求1或2所述的一种超声波流量计量仪表，其特征在于所述反射面的宽度为10mm-20mm，通过一对换能器的超声波全方位扫描测量管体内流体全部的流通空间。

4.一种用于超声波流量计量仪表的星形轨迹检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：建立近似圆柱坐标系，圆柱坐标系的Z轴为测量管体两个换能器孔在测量管体上的轴向长度，圆柱坐标系的柱面直径为测量管体的公称直径；

超声波信号反射i-1次，取3＜i＜x，

当x受制于超声波反射多次后信号逐渐削弱到可接收的程度，

目前，x最大可取11，形成i条线平均速度；在以上坐标系的柱面圆上绘制n边形，且5＜n＜y，

y受制于测量管体截面圆周长与换能器直径的比，

目前，y最大可取至20，

标记n边形的角编号为0、1、2、3……n-1；

将该测量管体的两个换能器孔之间的圆柱沿轴向距离i等分，标记截面编号a、b、c……（共i+1个截面）；

由以上两组参数建立一个近似柱面坐标系，截面编号为轴坐标，角编号为垂直轴向截面坐标，各取每组一个参数组成为一个位置点，连续的位置点依次相连即形成超声波信号轨迹；

各个发射、接收、反射位置点坐标：

（a，0）其中：1<m<n/2

（b，MOD（1*m，n））MOD（a，b）为a除以b的余数

（c，MOD（2*m，n））

（d，MOD（3*m，n））

……

（i，MOD（i*m-m，n））

（i+1，0）

当参数n与m存在公因数时，则产生的星形轨迹相同；

步骤2：超声波信号轨迹首尾两点为换能器安装点，沿首尾线段方向为轴心定位的换能器安装座。