CN105823518B - 免温度传感器的超声波流量计量仪表 - Google Patents

免温度传感器的超声波流量计量仪表 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种免温度传感器的超声波流量计量仪表，包括测量管体、至少三组换能器和积算仪，所述换能器包括反射换能器和接收换能器，测量管体侧壁设有换能器安装座；所述的三组换能器分别安装在安装座内，其特征在于成组的换能器产生的信号与管路轴心成10°~80°夹角,其中一组换能器的延伸线水平穿过表体的直径形成中心声道，其它组换能器分别安装在表体中心水平面的上方和下方形成上方声道和下方声道，所述中心声道、上方声道、下方声道所在的测量区间相互平行，所述积算仪内设有测量时间的芯片。

Description

免温度传感器的超声波流量计量仪表
技术领域
本发明涉及流量计量仪器技术领域，具体地说是一种免测温超声波流量计量仪表。
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、时间差相关。因此显示准确的流量，通常需要一组经验数据库，数据库中由温度和时间差坐标对应出一个参数，由测得的线平均速度乘以该参数可得实际管路流速与流量。
通常时间差可由换能器测得，温度由温度传感器测得。
已有的一种通过换能器测量声速，反推出温度，进而获得流量的算法，并在超声波计量中得以应用，但是超声波在水中的速度与水温的关系是一个近似开口向下抛物线，最高点在74℃附近，这就意味着给出一个声速将对应一个大于74℃的温度和一个小于74℃的温度，不同温度对应出两个不同参数。对于常规的85℃以下计量的超声波仪表，这种算法可以满足使用要求。
随着技术发展和节能高效的需求，越来越多的热量输送管路采用高温小流量载热，常出现高于100℃的管路需要使用超声波仪表计流量，则已有的算法，不能在无温度传感器的条件下准确计量。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有技术的不足，提出一种检测精度高、成本低廉，仅依靠换能器组即可完成流量计量的免温度传感器的超声波流量计量仪表。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种免温度传感器的超声波流量计量仪表，包括测量管体、至少三组换能器和积算仪，所述换能器包括反射换能器和接收换能器，测量管体侧壁设有换能器安装座；所述的三组换能器分别安装在安装座内，其特征在于成组的换能器产生的信号与管路轴心成10°~80°夹角,其中一组换能器的延伸线水平穿过表体的直径形成中心声道，以利于对中心声道的流速流量进行测量，其它组换能器分别安装在表体中心水平面的上方和下方形成上方声道和下方声道，所述中心声道、上方声道、下方声道所在的测量层面相互平行，以达到精确测量的作用，所述积算仪内设有测量时间的芯片，以利于分别记录每组换能器往复声波信号的传输时间，并上传至积算仪进行运算。
本发明所述上方声道和下方声道的间距为0.2~0.7倍管体直径，以利于对上方声道和下方声道的流速流量进行测量，
本发明所述中心声道与管路轴心形成的夹角等于或小于上方声道或下方声道与管路轴心形成的夹角，以达到精确测量的作用。
本发明所述测量管体的内腔可呈圆柱形，也可呈沿轴向缩径的锥形、还可呈沿轴向变径的异形，或者还可呈扁圆形。
本发明所述积算仪的计量算法包括两个步骤：第一步骤通过积算仪中的芯片瞬时测量每组换能器在所在声道中往复的声速和时间差，第二步骤根据声速和时间差进行流量计量；
其中第一步骤算法为：通过计算器处理首先将中心声道测得时间差与1/5倍额定流量时间差比较；
第二步骤算法为：当测得中心声道时间差大于或等于1/5倍额定流量时间差时，由该中心声道时间差与两侧声道时间差加权后，乘以该加权时间差对应的参数，即得到流速流量值；
当测中心声道时间差小于1/5倍额定流量时间差时，根据中心声道时间差确定速度区间，通过中心声道的往复时间计算出对应的声速，可将此时温度确定为两个，再通过中心声道时间差与上方声道和下方声道时间差的比值确定唯一的温度，该中心声道时间差与上方声道和下方声道时间差加权数值与温度两个值从数据库中对应出参数，即得到流速流量值。
本发明所述积算仪第一步骤算法的计算公式为：1.通过中心声道测出流体进入测量管体中心的往复时间并经芯片上传至积算仪进行处理，得出声速cn和时间差Δtn1两个值；
2.通过上方声道和下方声道测出流体进入测量管体中该区间的往复时间，并经芯片上传至积算仪进行处理，得出平均时间差Δtn2；
3.将中心声道、上方声道和下方声道的时间差进行加权平均，得到平均时间差Δtn，加权比值i为中间声道与上下声道在管路剖面的投影长度（i＞1）；
4.将中心声道测得时间差与1/5倍的额定流量时间差进行比较，得出标准时间差A。
本发明所述积算仪第二步骤算法的计算公式为:中间声道的往复时间差Δtn1与标准时间差A比较，当Δtn1≥A时，则进入加权平均时间差Δtn与流量Q一一对应的数据库，对应出此时流量Q。
当Δtn1＜A时，则将中间声道时间差Δtn1与上方声道和下方声道的平均时间差Δtn2进行比较，确定唯一的温度，即：
若,则可判断水温低于75℃，选用低温参数数据库；
若,则可判断水温高于75℃，选用高温参数数据库；
再根据声速cn和加权平均时间差Δtn两个测得量，进入二维参数的低温参数数据库或高温参数数据库，对应出此时的流量Q。
本发明由于采用上述结构和算法，具有结构和算法简单、运算快捷、测量精确、电子硬件成本低、成本低廉等优点。
1.
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图，
图2是图1的左视图。
图3是本发明第二种实施例的结构示意图。
图4是本发明第三种实施例的结构示意图。
图5是本发明第四种实施例的结构示意图。
附图标记：测量管体A、换能器B1、B2、B3、B4、积算仪C、换能器安装座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1所示，一种免温度传感器的超声波流量计量仪表，包括测量管体、三组换能器B1、B2、B3和积算仪C，所述换能器包括反射换能器和接收换能器，测量管体侧壁设有6个换能器安装座，本发明所述测量管体的内腔可呈圆柱形，也可呈沿轴向缩径的锥形、还可呈沿轴向变径的异形，或者还可呈扁圆形，所述的三组换能器B1、B2、B3分别安装在6个安装座内，其成组的换能器产生的信号与管路轴心成10°~80°夹角,其中一组换能器B1的延伸线水平穿过表体的直径形成中心声道，以利于对中心声道的流速流量进行测量，换能器B2、B3分别安装在表体中心水平面的上方和下方形成上方声道和下方声道，所述中心声道、上方声道、下方声道所在的测量层面相互平行，以达到精确测量的作用，所述上方声道和下方声道的间距为0.2~0.7倍管体直径，以利于对上方声道和下方声道的流速流量进行测量，本发明所述中心声道与管路轴心形成的夹角等于上方声道或下方声道与管路轴心形成的夹角，以达到精确测量的作用，所述积算仪内设有测量时间的芯片，以利于分别记录每组换能器往复声波信号的传输时间，并上传至积算仪进行运算，本发明所述积算仪的计量算法包括两个步骤：第一步骤通过积算仪中的芯片瞬时测量每组换能器在所在声道中往复的声速和时间差，第二步骤根据声速和时间差进行流量计量；
其中第一步骤具体算法为：通过计算器处理首先将中心声道测得时间差与1/5倍额定流量时间差比较；
第二步骤具体算法为：当测得中心声道时间差大于或等于1/5倍额定流量时间差时，由该中心声道时间差与两侧声道时间差加权后，乘以该加权时间差对应的参数，即得到流速流量值；
当测中心声道时间差小于1/5倍额定流量时间差时，根据中心声道时间差确定速度区间，通过中心声道的往复时间计算出对应的声速，可将此时温度确定为两个，再通过中心声道时间差与上方声道和下方声道时间差的比值确定唯一的温度，该中心声道时间差与上方声道和下方声道时间差加权数值与温度两个值从数据库中对应出参数，即得到流速流量值。
实施例1：如附图1、2所示，选取DN150的超声波仪表，所述测量管体内腔呈圆柱形，测量管体内最大流量为312m³/h，管体内径150mm，一组换能器的声道与测量管体轴心呈30°-45°，装在中心声道上，另外两组换能器则与测量管体轴心呈20°-70°，分别装置上方声道和下方声道上，上方声道或下方声道距水平声道高度相差30mm，即两者间距60mm，
测量计算时，积算仪先瞬时测量出三组换能器B1、B2、B3往复的时间，
即：1.通过中心声道上的一组换能器测出流体进入测量管体中心的往复时间并经芯片上传至积算仪进行处理，得出声速cn和时间差Δtn1两个值；
2.通过上方声道和下方声道上的两组换能器分别测出流体进入测量管体中上方声道和下方声道的往复时间，并经芯片上传至积算仪进行处理，得出平均时间差Δtn2；
3.对中心声道、上方声道和下方声道的时间差进行加权平均，得到平均时间差Δtn，加权比值i为中间声道与上下声道在管路剖面的投影长度（i＞1）；
4.取1/5倍最大流量为65m³/h在50℃的时间差A为基准，或者通过实测取得；
再进行流量计量，即：
1.中间声道的往复时间差Δtn1与标准时间差A比较，当Δtn1≥A时，则进入加权平均时间差Δtn与流量Q一一对应的数据库，对应出此时流量Q。
当Δtn1＜A时，则将中间声道时间差Δtn1与上方声道和下方声道的平均时间差Δtn2进行比较，确定唯一的温度，即：
若,则可判断水温低于75℃，选用低温参数数据库；
若,则可判断水温高于75℃，选用高温参数数据库；
再根据声速cn和加权平均时间差Δtn两个测得量，进入二维参数的低温参数数据库或高温参数数据库，即可对应出此时的流量Q。
实施例2：如附图3所示，选取DN150的超声波仪表，所述测量管体内腔呈圆柱形，所述测量管体上设有四组换能器，所述测量管体内的最大流量为312m³/h，管体内径150mm，一组换能器B2的声道与测量管体轴心呈60°，另一组换能器B4与换能器B2相互交叉安装，与管路轴心呈120°，都装在中心声道上，另外两组换能器则与测量管体轴心呈60°，分别装置上方声道和下方声道上，另外两组换能器B1和B3分别装在上方声道和下方声道上，上方声道或下方声道距水平声道高度相差45mm，即两者间距90mm，
测量计算时，积算仪先瞬时测量出四组换能器B1、B2、B3、B4往复的时间，
即：1.通过中心声道上的两组相交叉的换能器分别测出流体进入测量管体中心的往复时间并经芯片上传至积算仪进行处理，得出声速cn和时间差Δtn1两个值；
2.通过上方声道和下方声道上的两组换能器分别测出流体进入测量管体中上方声道和下方声道的往复时间，并经芯片上传至积算仪进行处理，得出平均时间差Δtn2；
3.对中心声道、上方声道和下方声道的时间差进行加权平均，得到平均时间差Δtn，加权比值为中间声道与上下声道在管路剖面的投影长度（＞1）；
4.取1/5倍最大流量为65m³/h在50℃的时间差A为基准，或者通过实测取得；
再进行流量计量，即：
1.中间声道的往复时间差Δtn1与标准时间差A比较，当Δtn1≥A时，则进入加权平均时间差Δtn与流量Q一一对应的数据库，对应出此时流量Q。
当Δtn1＜A时，则将中间声道时间差Δtn1与上方声道和下方声道的平均时间差Δtn2进行比较，确定唯一的温度，即：
若,则可判断水温低于75℃，选用低温参数数据库；
若,则可判断水温高于75℃，选用高温参数数据库；
再根据声速cn和加权平均时间差Δtn两个测得量，进入二维参数的低温参数数据库或高温参数数据库，即可对应出此时的流量Q。
如附图4所示，测量管体为缩径沿轴向缩径且扁圆的锥形，所述测量管体上的换能器个数和积算仪的算法与实施例1相同，此不赘述，对于这种形状的测量管体上安装三组换能器可以同样应用本发明的计算算法，不但可以增加测试区的流速，而且还可以更加精确的实现计量。
如附图5所示，测量管体为呈沿轴向变径的异形形状，所述测量管体上的换能器个数和积算仪的算法与实施例1相同，此不赘述，对于这种形状的测量管体上安装三组换能器可以同样应用本发明的计算算法，不但可以增加测试区的流速，而且还可以更加精确的实现计量。
本发明由于采用上述结构和算法，具有结构和算法简单、运算快捷、测量精确、电子硬件成本低、成本低廉等优点。

Claims (6)

1.一种免温度传感器的超声波流量计量仪表，包括测量管体、至少三组换能器和积算仪，所述换能器包括反射换能器和接收换能器，测量管体侧壁设有换能器安装座；所述的三组换能器分别安装在安装座内，其特征在于成组的换能器产生的信号与管路轴心成10°~80°夹角,其中一组换能器的延伸线水平穿过表体的直径形成中心声道，其它组换能器分别安装在表体中心水平面的上方和下方形成上方声道和下方声道，所述中心声道、上方声道、下方声道所在的测量层面相互平行，所述积算仪内设有测量时间的芯片,
所述积算仪的计量算法包括两个步骤：
第一步骤通过积算仪中的芯片瞬时测量每组换能器在所在声道中往复的声速和时间差，第二步骤根据声速和时间差进行流量计量；
其中第一步骤算法为：通过计算器处理首先将中心声道测得时间差与1/5倍额定流量时间差比较；
第二步骤算法为：当测得中心声道时间差大于或等于1/5倍额定流量时间差时，由该中心声道时间差与两侧声道时间差加权后，乘以该加权时间差对应的参数，即得到流速流量值；
当测中心声道时间差小于1/5倍额定流量时间差时，根据中心声道时间差确定速度区间，通过中心声道的往复时间计算出对应的声速，可将此时温度确定为两个，再通过中心声道时间差与上方声道和下方声道时间差的比值确定唯一的温度，该中心声道时间差与上方声道和下方声道时间差加权数值与温度两个值从数据库中对应出参数，即得到流速流量值。
2.根据权利要求1所述的一种免温度传感器的超声波流量计量仪表，其特征在于所述上方声道和下方声道的间距为0.2~0.7倍管体直径。
3.根据权利要求1所述的一种免温度传感器的超声波流量计量仪表，其特征在于所述中心声道与管路轴心形成的夹角等于或小于上方声道或下方声道与管路轴心形成的夹角。
4.根据权利要求3所述的一种免温度传感器的超声波流量计量仪表，其特征在于所述积算仪第一步骤算法的计算公式为：
1）.通过中心声道测出流体进入测量管体中心的往复时间并经芯片上传至积算仪进行处理，得出声速cn和时间差Δtn1两个值；
2）.通过上方声道和下方声道测出流体进入测量管体中该区间的往复时间，并经芯片上传至积算仪进行处理，得出平均时间差Δtn2；
3）.将中心声道、上方声道和下方声道的时间差进行加权平均，得到平均时间差Δtn，加权比值i为中间声道与上下声道在管路剖面的投影长度i＞1；
4）.将中心声道测得时间差与1/5倍的额定流量时间差进行比较，得出标准时间差A。
5.根据权利要求3所述的一种免温度传感器的超声波流量计量仪表，其特征在于所述积算仪第二步骤算法的计算公式为:中间声道的往复时间差Δtn1与标准时间差A比较，当Δtn1≥A时，则进入加权平均时间差Δtn与流量Q一一对应的数据库，对应出此时流量Q。
6.根据权利要求3所述的一种免温度传感器的超声波流量计量仪表，其特征在于所述积算仪第二步骤算法的计算公式为:中间声道的往复时间差Δtn1与标准时间差A比较，
当Δtn1＜A时，则将中间声道时间差Δtn1与上方声道和下方声道的平均时间差Δtn2进行比较，确定唯一的温度，再根据声速cn和加权平均时间差Δtn两个测得量，进入二维参数的低温参数数据库或高温参数数据库，对应出此时的流量Q。
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