CN105181997A - 非接触式超声波水流流速计及非接触式流速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式超声波水流流速计，包括超声波换能器、电子线路和流量显示累计系统；超声波换能器，包括超声波发射换能器和超声波接收器，超声波发射换能器用于将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，超声波接收器用于接收超声波信号，并发送到电子线路；电子线路，包括发射单元、接收单元、信号处理单元，所述的接收单元用于接收超声波接收器发送的超声波信号并将其发送到信号处理单元进行信号处理，所述的发射单元将信号处理单元处理的信号发送到流量显示累计系统。本发明通过采用超声波发射换能器和超声波接收器，分别安装在待测管道外壁上，可进行敞开水流的流量测，不用在流体中安装测量元件，不会改变流体的流动状态。

Description

非接触式超声波水流流速计及非接触式流速检测方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式超声波水流流速计及非接触式流速检测方法。

背景技术

目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不便这些缺点。由于现有的超声波流量计在河道、明渠测量中需要于不同深度安装探头，导致安装不便、安装位置精度低、不方便调试维护、测量误差大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式超声波水流流速计及非接触式流速检测方法，能改善现有技术存在的问题，通过采用超声波发射换能器和超声波接收器，分别安装在待测管道外壁上，无需再流体内安装探头，可进行敞开水流的流量测，并且不用在流体中安装测量元件，而且不会改变流体的流动状态。

本发明通过以下技术方案实现：

一种非接触式超声波水流流速计，包括超声波换能器、电子线路和流量显示累计系统；

超声波换能器，包括超声波发射换能器和超声波接收器，超声波发射换能器用于将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，超声波接收器用于接收超声波信号，并发送到电子线路；

电子线路，包括发射单元、接收单元、信号处理单元，所述的接收单元用于接收超声波接收器发送的超声波信号并将其发送到信号处理单元进行信号处理，所述的发射单元将信号处理单元处理的信号发送到流量显示累计系统；

流量显示累计系统，用于显示流量数据信息，将信号处理单元处理的信息进行显示和积算，并存储信息。

进一步地，为更好地实现本发明，所述的超声波换能器为压电换能器，所述的超声波发射换能器采用逆压电效应，所述的超声波接收器采用压电效应。

进一步地，为更好地实现本发明，所述的压电换能器为锆钛酸铅制成。

进一步地，为更好地实现本发明，所述的超声波换能器为圆形薄片，沿厚度震动。

进一步地，为更好地实现本发明，所述的圆形薄片的直径大于其厚度的10倍。

进一步地，为更好地实现本发明，所述的超声波发射换能器和超声波接收器外部分别设置有声楔形成探头结构，所述的声楔固定连接在待检测管道外壁上。

进一步地，为更好地实现本发明，所述的声楔为有机玻璃制成。

本发明还公开了一种非接触式流速检测方法，包括以下步骤：

S1：积算水流平均速度：利用速度面积法，由雷达水流测速仪检测水面流速并传输到主机，计算流速修正系数K，测出水平平均速度，并通过液位计提供的数据得出水流断面面积，最后计算出流量，发送到信号处理单元；

S2：安装超声波换能器：将超声波发射换能器和超声波接收器分别按照一定距离附着在待检测管道外壁上，利用两次声程的V法，四次声程的W法，或者采用声波直接穿过被测管路的相对安装的Z法，记录超声波在超声波发射换能器和超声波接收器之间传播的时间，计算时间差值；

S3：计算流速：步骤S2得到的时间差值与流体的流速成正比，利用如下公式计算流速。

θ为声束与液体流动方向的夹角；

M为声束在液体的直线传播次数；

D为管道内径；

Tup为声束在正方向上的传播时间；

Tdown为声束在逆方向上的传播时间ΔT=Tup–Tdown。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

（1）本发明通过采用在待测管道外部安装超声波发射换能器和超声波接收器，安装时相对位置精度低，方便调试维护，测量误差小，具有安装快速准确，调试维护方便的特点，并且根据流体力学合理调整传感器角度，提高了测量值的稳定性和准确性；

（2）本发明直接安装，无需开孔或破坏管道、不停流、无压力损失、安装简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细介绍，但本发明的实施方式不限于此。

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。当气体不流动时，声脉冲以相同的速度（声速，C）在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样，顺流传输时间tD会短些，而逆流传输时间tU会长些。这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言。

如图1所示，本发明公开了一种非接触式超声波水流流速计，包括超声波换能器、电子线路和流量显示累计系统；

超声波换能器，包括超声波发射换能器和超声波接收器，超声波发射换能器用于将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，超声波接收器用于接收超声波信号，并发送到电子线路；

电子线路，包括发射单元、接收单元、信号处理单元，所述的接收单元用于接收超声波接收器发送的超声波信号并将其发送到信号处理单元进行信号处理，所述的发射单元将信号处理单元处理的信号发送到流量显示累计系统；

流量显示累计系统，用于显示流量数据信息，将信号处理单元处理的信息进行显示和积算，并存储信息。

超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，超声波接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。

与传统的超声波流量计相比，本发明不需在液面的各层安装流速探头，所有装置均布置于液面以上，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。

实施例1：

本实施例中，优选地，所述的超声波换能器为压电换能器，所述的超声波发射换能器采用逆压电效应，所述的超声波接收器采用压电效应。压电换能器利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到超声波发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由超声波接收器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。

优选地，本实施例中，所述的压电换能器为锆钛酸铅制成。

为了保证震动的方向性，本实施例中，所述的超声波换能器为圆形薄片，沿厚度震动。

进一步优选地，所述的圆形薄片的直径大于其厚度的10倍。

为了固定压电元件，本实施例中，优选地，所述的超声波发射换能器和超声波接收器外部分别设置有声楔形成探头结构，所述的声楔固定连接在待检测管道外壁上。

优选地，本实施例中，所述的声楔为有机玻璃制成。利用有机玻璃透明、折射系数接近1、强度高、耐老化等优点，实现保护压电元件方便检测和安装的效果。本实施例中，也可以选择橡胶、塑料及胶木等。

实验发现，本发明适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量，管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。本产品具有安装快速准确，调试维护方便的特点，并且根据流体力学合理调整传感器角度，提高了测量值的稳定性和准确性；本装置特别适合大型明渠、天然河道、较大直径管道满管、不满管的多声道超声波测量，可以在不影响生产情况下安装、调试、维护。特点在于：有效解决了以往在进行多声道超声波测量时，分组外卡式及多杆插入式传感器安装时相对位置精度低，不方便调试维护，测量误差大等问题。

实施例2：

本发明还公开了一种非接触式流速检测方法，包括以下步骤：

S1：积算水流平均速度：利用速度面积法，由雷达水流测速仪检测水面流速并传输到主机，计算流速修正系数K，测出水平平均速度，并通过液位计提供的数据得出水流断面面积，最后计算出流量，发送到信号处理单元；

S2：安装超声波换能器：将超声波发射换能器和超声波接收器分别按照一定距离附着在待检测管道外壁上，利用两次声程的V法，四次声程的W法，或者采用声波直接穿过被测管路的相对安装的Z法，记录超声波在超声波发射换能器和超声波接收器之间传播的时间，计算时间差值；

S3：计算流速：步骤S2得到的时间差值与流体的流速成正比，利用如下公式计算流速。

θ为声束与液体流动方向的夹角；

M为声束在液体的直线传播次数；

D为管道内径；

Tup为声束在正方向上的传播时间；

Tdown为声束在逆方向上的传播时间ΔT=Tup–Tdown。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触式超声波水流流速计，其特征在于：包括超声波换能器、电子线路和流量显示累计系统；

超声波换能器，包括超声波发射换能器和超声波接收器，超声波发射换能器用于将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，超声波接收器用于接收超声波信号，并发送到电子线路；

电子线路，包括发射单元、接收单元、信号处理单元，所述的接收单元用于接收超声波接收器发送的超声波信号并将其发送到信号处理单元进行信号处理，所述的发射单元将信号处理单元处理的信号发送到流量显示累计系统；

流量显示累计系统，用于显示流量数据信息，将信号处理单元处理的信息进行显示和积算，并存储信息。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式超声波水流流速计，其特征在于：所述的超声波换能器为压电换能器，所述的超声波发射换能器采用逆压电效应，所述的超声波接收器采用压电效应。

3.根据权利要求2所述的一种非接触式超声波水流流速计，其特征在于：所述的压电换能器为锆钛酸铅制成。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种非接触式超声波水流流速计，其特征在于：所述的超声波换能器为圆形薄片，沿厚度震动。

5.根据权利要求4所述的一种非接触式超声波水流流速计，其特征在于：所述的圆形薄片的直径大于其厚度的10倍。

6.根据权利要求1或2或3所述的一种非接触式超声波水流流速计，其特征在于：所述的超声波发射换能器和超声波接收器外部分别设置有声楔形成探头结构，所述的声楔固定连接在待检测管道外壁上。

7.根据权利要求6所述的一种非接触式超声波水流流速计，其特征在于：所述的声楔为有机玻璃制成。

8.一种非接触式流速检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：积算水流平均速度：利用速度面积法，由雷达水流测速仪检测水面流速并传输到主机，计算流速修正系数K，测出水平平均速度，并通过液位计提供的数据得出水流断面面积，最后计算出流量，发送到信号处理单元；

S2：安装超声波换能器：将超声波发射换能器和超声波接收器分别按照一定距离附着在待检测管道外壁上，利用两次声程的V法，四次声程的W法，或者采用声波直接穿过被测管路的相对安装的Z法，记录超声波在超声波发射换能器和超声波接收器之间传播的时间，计算时间差值；

S3：计算流速：步骤S2得到的时间差值与流体的流速成正比，利用如下公式计算流速。

9.θ为声束与液体流动方向的夹角；

M为声束在液体的直线传播次数；

D为管道内径；

Tup为声束在正方向上的传播时间；

Tdown为声束在逆方向上的传播时间ΔT=Tup–Tdown。