CN107179106A - 插入式超声波流量计、流量测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种插入式超声波流量计、流量测量系统及方法，涉及流量监测领域。所述插入式超声波流量计包括主插杆，所述主插杆插入所述管道内的一端具有间隔对称设置的第一分支部和第二分支部，所述第一分支部和所述第二分支部分别设置在所述管道的上游和下游，所述第一分支部上设置有第一超声波换能器，所述第二分支部上设置有与所述第一超声波换能器的位置对应的第二超声波换能器。与现有技术相比，本发明提供的插入式超声波流量计的信号接收能力更强，信道噪声更小，因此功耗更小可以用电池供电，结构稳定且精简，使用方便，能够对管道水流低流速及流量进行精确测量。

Description

插入式超声波流量计、流量测量系统及方法

技术领域

本发明涉及流量监测领域，具体而言，涉及一种插入式超声波流量计、流量测量系统及方法。

背景技术

随着水资源的日渐溃乏，以及节能减排标准的日益提高，水的精确计量和供水给水的系统高效化管理，已成为当今水行业的急迫任务之一。据统计一般城市平均漏水损失在20-30％左右。这是巨大的资源和能源的损失。为了减少这种损失就需要在输水管线上加装流量计，对管网流量和压力进行实时在线监测。但是，由于大部分管网已经铺设并运营多年，安装管段式流量计或水表需要停水，同时还需要切断现有管段，工程费用较高，因此管段式流量计或水表在实际应用场合受限。

近年来，DMA分区计量方法在城市漏水检测中受到普遍重视。但是，在实施中，人们发现，随着管道尺寸的增大，所需管段式流量计或水表的成本也迅速攀升，这就使得城市供排水公司不得不减少表的安装数量。这就等于是扩大了漏水检测的分区范围，从而降低了漏水检测的效率和精准性。

插入式超声流量计无需切断现有管道，也无需停水，可以带压安装，其施工方便、快速。并且，其成本随管道尺寸变化不大，因此受到广泛关注。

现有的插入式流量计主要有机械式、电磁式和超声波式。插入式机械流量计，是指把传统的机械式流速仪如旋浆流速仪、涡轮流速仪等，用插入的方式安装在管道内。这类流量计有机械式流量计的共同弱点：易磨损、易堵塞或卡死，始动流量高，精度低等。因此实际应用中局限很大，难以用于精确计量及管网漏水检测。

插入电磁流量计无转动部件，维护成本低还可以电池供电。但是，它易受电磁环境及介质导电率的影响，另外由于其低流速测量不够理想，再加上成本高，因此只有少量使用。

插入超声波流量计具有无转动部件，维护成本低的优点。它通常使用一对换能器。其换能器安装在管道两侧、面对面或者在管道同侧相距一定距离。换能器通常与管道内壁齐平或在管内壁附近。因此，在测量时声波信号需要穿过较长距离，比如一倍到二倍管径，声衰减较大，这就要求较强的发射功率，较复杂的弱信号检测和处理计算，于是，系统功耗一般较大，难以实现电池供电。城市管网在需要安装流量计的节点处，常常没有电源。如果流量计不是电池供电，就无法使用。

另外，由于接收信号里的噪声较强，插入超声波流量计测量低流速较困难，无法用于漏水检测。

再者，在安装过程中，需要根据实际情况调节传感器相对距离，以便使得接收信号强度达到最佳。因此，系统的零点无法准确地确定，影响测量结果。

综上所述，目前还没有一种较好的插入式流量计，能够既容易安装又能稳定可靠地工作，既维护成本低又价格适中，同时还能电池供电以及检测低流速。特别是后两者对实际应用有很重要的意义。由于输水管线大部份地方无法或不容易取到市电，流量计的供电成为特别重要的问题。另一方面，漏水在早期都属于暗漏，其流速较小，但因为输管网的管径都较大，相应漏水的水量确不小，这样，流量计的低流速性能就对漏水检测很关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种插入式超声波流量计、流量测量系统及方法，其能够有效改善上述问题。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种插入式超声波流量计，应用于管道，所述插入式超声波流量计包括主插杆，所述主插杆插入所述管道内的一端具有间隔对称设置的第一分支部和第二分支部，所述第一分支部和所述第二分支部分别设置在所述管道的上游和下游，所述第一分支部上设置有第一超声波换能器，所述第二分支部上设置有与所述第一超声波换能器的位置对应的第二超声波换能器。

在本发明较佳的实施例中，所述第一分支部在所述管道内的不同高度上还设置有多个超声波换能器，所述第二分支部上还设置有与所述第一分支部上的多个超声波换能器数量相同且位置对应的多个超声波换能器，所述第一分支部和所述第二分支部上位置对应的每两个超声波换能器构成一个超声波声道，每个所述超声波声道所在的直线与所述管道的中心轴线平行。

在本发明较佳的实施例中，所述第一分支部上设置有与所述第一超声波换能器位于不同高度的第一声反射镜，所述第二分支部上设置有与所述第一声反射镜位于同一高度的第二声反射镜，所述第一声反射镜和所述第二声反射镜的连线与所述管道的中心轴线位于同一平面内，由所述第一超声波换能器发出的超声波信号经所述第一声反射镜的反射面反射并入射到所述第二声反射镜的反射面上，再由所述第二声反射镜的反射面反射到达所述第二超声波换能器，由所述第二超声波换能器发出的超声波信号经所述第二声反射镜的反射面反射并入射到所述第一声反射镜的反射面上，再由所述第一声反射镜的反射面反射到达所述第一超声波换能器。

在本发明较佳的实施例中，所述第一分支部和所述第二分支部的不同高度处还设置有多组超声波换能器与声反射镜结构，每组所述超声波换能器与声反射镜结构中，由一个超声波换能器发出的超声波信号经过两个声反射镜到达与其对应的另一个超声波换能器。

在本发明较佳的实施例中，所述主插杆通过链接法兰固定安装在所述管道上。

在本发明较佳的实施例中，所述主插杆上设置有轴向指示线，所述轴向指示线与所述管道的中心轴线平行。

在本发明较佳的实施例中，所述主插杆上设置有刻度或卡槽，以控制所述主插杆在所述管道内的插入深度。

第二方面，本发明实施例提供了一种流量测量系统，其包括如上所述的插入式超声波流量计、时差测量单元、参考时钟单元、MCU微处理器、LCD/Buttons显示及按键单元、INTF接口单元、DL外部数据存储单元、RTC实时时钟单元以及PMU电池管理单元，所述时差测量单元和所述MCU微处理器分别与所述插入式超声波流量计连接，所述参考时钟单元和所述MCU微处理器分别与所述时差测量单元连接，所述LCD/Buttons显示及按键单元、所述INTF接口单元、所述DL外部数据存储单元、所述RTC实时时钟单元以及所述PMU电池管理单元分别与所述MCU微处理器连接，所述时差测量单元的传感器接入端还设置有多声道转换开关。

在本发明较佳的实施例中，所述流量测量系统还包括温度传感器、压力传感器、温度测量单元TMP和压力测量单元P，所述温度传感器设置于所述插入式超声波流量计的主插杆上，所述温度测量单元TMP和所述时差测量单元连接，所述压力传感器设置于所述插入式超声波流量计的主插杆上，所述压力测量单元P和所述MCU微处理器连接。

第三方面，本发明实施例还提供了一种流量测量方法，应用于如上所述的流量测量系统，所述方法包括：获取超声波信号从上游到下游的传播时间tdn以及超声波信号从下游到上游的传播时间tup；获取tdn和tup之间的传播时间差dt；获取超声波信号从上游到下游或超声波信号从下游到上游的传播路径长度L，并计算换能器处的点流速V＝L/(tup*tdn)*dt，管道断面平均流速Va＝Ki*Kp*V，管道流量Q＝π*R²*Va，其中，Kp为流速剖面系数，Kc为仪器标定系数，R为管道内半径。

本发明实施例提供的插入式超声波流量计、流量测量系统及方法，通过将主插杆的一端插入管道内进行测量，在管道的上游和下游间隔对称设置第一分支部和第二分支部，并在所述第一分支部和所述第二分支部上对应设置第一超声波换能器和第二超声波换能器，可构成一个流速测量超声波声道；另外，第一超声波换能器和第二超声波换能器的位置对应，使得声波信号的传输质量更高，便于精确测量管内某一位置的点流速。与现有技术相比，本发明提供的插入式超声波流量计的信号接收能力更强，信道噪声更小，能够使用电池供电，实现了对管道水流低流速及流量的精确测量，且结构更稳定，易于安装。

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为本发明第一实施例提供的插入式超声波流量计的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的流量测量系统的结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的插入式超声波流量计的结构示意图；

图4为本发明第三实施例提供的插入式超声波流量计的结构示意图；

图5为本发明第三实施例提供的加入计量探头组件的插入式超声波流量计第一视角的结构示意图；

图6为本发明第三实施例提供的加入计量探头组件的插入式超声波流量计第二视角的结构示意图；

图7为本发明第四实施例提供的流量测量方法的流程框图。

图标：100-主插杆；120-计量表头；140-计量探头组件；200-第一分支部；220-第一超声波换能器；240-第一声反射镜；300-第二分支部；320-第二超声波换能器；340-第二声反射镜；400-管道；420-链接法兰；500-温度传感器；600-压力传感器；700-时差测量单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，“输入”、“输出”、“反馈”、“形成”等术语应理解为是描述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“形成”仅仅是指光信号或电信号通过该元件、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述插入式超声波流量计及流量测量系统中各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的光路方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供了一种插入式超声波流量计，应用于管道400。所述插入式超声波流量计包括主插杆100和计量表头120。所述主插杆100在所述管道400外侧的一端与所述计量表头120连接，所述主插杆100插入所述管道400内的一端具有间隔对称设置的第一分支部200和第二分支部300，所述第一分支部200和所述第二分支部300分别设置在所述管道400的上游和下游，所述第一分支部200上设置有第一超声波换能器220，所述第二分支部300上设置有与所述第一超声波换能器220的位置对应的第二超声波换能器320。本实施例中，所述第一超声波换能器220和所述第二超声波换能器320的连线与所述管道400的中心轴线平行。

本实施例中，所述主插杆100、第一分支部200和第二分支部300之间的相对距离及位置在出厂前就已经固定而形成一个刚性连接体，例如一体成型，从而保证了第一超声波换能器220和第二超声波换能器320之间的相对位置不会因为安装而改变，其整体结构的测量性能和仪器系数也可以在出厂前标定，也不会因为安装时的误差而改变。可以理解的是，所述主插杆100、第一分支部200和第二分支部300之间的相对距离也可以是能够调节的，例如通过设置伸缩结构以改变第一分支部200与第二分支部300之间的相对距离，或者改变第一分支部200、第二分支部300与主插杆100之间的相对距离以改变两个分支部在管道中的插入深度。

本实施例中，所述主插杆100可以通过带压插入的安装方式，通过链接法兰420固定安装在管道400上，并使所述第一分支部200和第二分支部300间隔一定距离设置在管道400的上游和下游。可以理解的是，所述管道400中流体运动的方向是从管道400的上游流向下游，所述管道400的上游和下游可以不是管道400的两端，即可以是管道400中任意沿流体运动方向分布的两个点或截面。

本实施例中，所述主插杆100、链接法兰420与管道400的各连接处均采用防水密封措施。

本实施例中，所述第一超声波换能器220和第二超声波换能器320为一种能够利用压电效应将高频电能转化为机械能的元件，其主要结构为压电陶瓷。通过安装在第一分支部200和第二分支部300中的输电线路向第一超声波换能器220或第二超声波换能器320输入一定电压，即可使第一超声波换能器220或第二超声波换能器320朝压电陶瓷圆盘面的振动方向发出超声波。

本实施例中，由于所述第一超声波换能器220和第二超声波换能器320为相对设置，可以理解的是，由第一超声波换能器220发出的超声波信号由第二超声波换能器320接收；相对的，由第二超声波换能器320发出的超声波信号则由第一超声波换能器220接收。超声波信号的发射与接收由这对换能器交替执行，两个换能器之间形成一个相互匹配的超声波声道，从而可以完成从上游到下游，以及从下游到上游的传播时间及时间差的精确测量。

本实施例中，所述第一超声波换能器220和第二超声波换能器320可以设置在管道400的中心轴线上，也可以设置在离管道400的中心轴线一定距离但与中心轴线平行的管线上。可以理解的是，为了达到最佳的超声波测量效果，需要保证所述第一超声波换能器220和第二超声波换能器320之间的连线与所述管道400的中心轴线平行，此时两个换能器之间的超声波声道也与管道400的中心轴线平行，不难理解，此时超声波声道中超声波信号传输的方向与管道400内流体运动的方向在同一直线上，此时的传输噪声最小，信号质量最高，测量获得的数据就更准确，为实现水流低流速及流量的精确测量提供了保障。

特别的，本实施例中的第一超声波换能器220和第二超声波换能器320也可以相对设置在管道400内不同的高度上，例如一上一下、左右错开倾斜设置，此时可以将该倾斜的超声波声道在管道400的中心轴线或某一条与中心轴线平行的管线上的投影作为实际的超声波声道，并将测量获得的数据进行相应的换算，以获得两个换能器所在的两个管道400横截面内的水流流速及流量。

本实施例中，为了帮助主插杆100在安装到管道400时定位，使得管道400的中心轴线处于由第一分支部200和第二分支部300构成的平面上，所述主插杆100上可以设置轴向指示线，所述轴向指示线与所述管道400的中心轴线平行。

本实施例中，为了保证第一分支部200和第二分支部300上的第一超声波换能器220和第二超声波换能器320能够准确的面对面设置，第一分支部200和第二分支部300在管道400中的插入深度要相同，此时可以通过在主插杆100上预先设置的刻度或卡槽，来控制所述主插杆100在所述管道400内的插入深度。同时，主插杆100的方向也要进行严格控制，需使所述主插杆100和所述管道400的中心轴线尽量垂直，这里同样可以通过在主插杆100上设置卡槽实现。

本实施例中，所述主插杆100在管道400内部的位置上还可以设置温度传感器500和压力传感器600，用于在获取超声波信号传输时差的同时获取测量环境内的水温和水压数据，以进行相应的误差补偿计算。

请参照图2，本实施例还提供了一种流量测量系统，其包括如上所述的插入式超声波流量计、时差测量单元700、参考时钟单元、MCU微处理器、LCD/Buttons显示及按键单元、INTF接口单元、DL外部数据存储单元、RTC实时时钟单元以及PMU电池管理单元。所述时差测量单元700和所述MCU微处理器分别与所述插入式超声波流量计连接，所述参考时钟单元和所述MCU微处理器分别与所述时差测量单元700连接，所述LCD/Buttons显示及按键单元、所述INTF接口单元、所述DL外部数据存储单元、所述RTC实时时钟单元以及所述PMU电池管理单元分别与所述MCU微处理器连接。本实施例中，上述电路模块均可以设置在计量表头120中。

本实施例中，当所述插入式超声波流量计的主插杆100上还设置有温度传感器500和压力传感器600时，所述流量测量系统中还可以相应的设置温度测量单元TMP和压力测量单元P。所述温度测量单元TMP和所述时差测量单元700连接，所述压力测量单元P和所述MCU微处理器连接。

通常而言，所述温度测量单元TMP可以在所述时差测量单元700内实现，压力测量单元可以挂在MCU的A/D转换口。

本实施例中，所述时差测量单元700，可以选用基于TOF单次传播时间测量方法的芯片，如ACAM的GP21/20/30，MAXIM的MAX35101等；也可以选用基于声循环方式的产品，如D-FLOW的方案；还可以根据图2中的接线框图搭建自己的方案。所述INTF接口单元可以是无线接口、RS485接口、MBUS接口、脉冲接口等。

本实施例中，所述PMU电池管理单元能够把电池电压转换成各种需要的电压，除此之外，还负责管理各种功耗模式，以使系统的功耗最小，增加电池的使用寿命。

本实施例中，所述参考时钟单元为时差测量单元700提供了精确而稳定的参考频率，保证了时差测量的精度。所述RTC实时时钟单元为系统提供了基础时钟和日历，该日历对于数据记录是重要的。

本实施例中，所述DL数据存储单元(可选用E²PROM，电可擦可编程只读存储器)通常用来存储各种流量及状态信息，包括日累积、日最大、最小流量、月累计、报警信息等。这些数据在系统断电的情况下可以在E²PROM里保持几十年。特别的，所述DL数据存储单元可以用于计量收费等应用。

本实施例中，所述温度传感器500可用于获取水温，以补偿水温对测量精度的影响。所述压力传感器600可用于获取管道400内该位置的压力信息，该压力信息对管网压力平衡、防止爆管、降低漏水率、节省水泵耗能，均具有重要意义。

本实施例提供的插入式超声波流量计，采用了独特的一体化的插入式传感器，其信号接收能力强，安装方便且结构稳定可靠，材料价格和维护成本低。流量测量系统则通过PMU电池管理单元为整个系统实现了电池供电，又通过低功耗高精度的大规模集成电路制成的时差测量单元700实现了对管道400水流低流速及流量的精确测量，有效的解决了城市输水管网工程中供电和低流速检测的难题，为实现环保节能的供水系统管理提供了可能。

第二实施例

请参照图3，本实施例提供了一种插入式超声波流量计，和本发明第一实施例最大的不同在于，本实施例中，插入式超声波流量计中的第一分支部200在所述管道400内的不同高度上还设置有多个超声波换能器，所述第二分支部300上还设置有与所述第一分支部200上的多个超声波换能器数量相同且位置对应的多个超声波换能器。所述第一分支部200和第二分支部300上位置对应的每两个超声波换能器之间构成一个超声波声道，每个超声波声道所在的直线均与所述管道400的中心轴线平行。

本实施例中，为了对应多声道的插入式超声波流量计，流量测量系统中的时差测量单元700的传感器接入端还可以设置多声道转换开关，通过该转换开关，可以对多声道传感器中的每个超声波声道进行单独的测量。

相对于本发明第一实施例，本实施例通过在插入式传感器的不同高度处加入多对换能器，以形成多个超声波声道，而每个超声波声道都进行单独的超声波传播时间差测量，能够获取管道400内不同高度处的多组数据，使最后计算获得的流速及流量的结果更加准确。

第三实施例

请参照图4，本实施例提供了一种插入式超声波流量计，和本发明第一实施例最大的不同在于，本实施例中，插入式超声波流量计中的第一分支部200上设置有与所述第一超声波换能器220位于不同高度的第一声反射镜240，相对的，第二分支部300上还设置有与第一分支部200上的第一声反射镜240位于同一高度的第二声反射镜340，所述第一声反射镜240和第二声反射镜340的连线与管道400的中心轴线位于同一平面内。

优选的，本实施例中，第一超声波换能器220和第二超声波换能器320可以设置在同一高度，即第一超声波换能器220和第二超声波换能器320的连线与所述管道400的中心轴线是平行的，此时，由第一超声波换能器220、第一声反射镜240、第二声反射镜340和第二超声波换能器320构成的平面刚好经过管道400的中心轴线。优选的，两个声反射镜的反射面设置的方向与管道400的中心轴线呈45°角；两个声反射镜之间的连线刚好与管道400的中心轴线重合，即两个声反射镜均设置在管道400的中心轴线上。

可以理解的是，其他的实施例中，由第一超声波换能器220、第一声反射镜240、第二声反射镜340和第二超声波换能器320构成的平面也可以与管道400的中心轴线呈小于或等于45°夹角的方向设置，此时将该平面在管道400的中心轴线所在的平面投影，再进行相应的数据换算即可。

本实施例中，在进行流速测量时，由第一超声波换能器220发出的超声波信号经第一声反射镜240的反射面反射并入射到第二声反射镜340的反射面上，再由第二声反射镜340的反射面反射到达第二超声波换能器320的信号接收面上；相对的，由第二超声波换能器320发出的超声波信号经第二声反射镜340的反射面反射并入射到第一声反射镜240的反射面上，再由第一声反射镜240的反射面反射到达第一超声波换能器220的信号接收面上。

请参照图5和图6，本实施例中，插入式超声波流量计的第一分支部200和第二分支部300的不同高度处，还可以设置多组与上述结构类似的超声波换能器与声反射镜结构，每组超声波换能器与声反射镜结构中，由一个超声波换能器发出的超声波信号经过两个声反射镜到达与其对应的另一个超声波换能器。此时，每一组超声波换能器与声反射镜结构都可以整合为一个计量探头组件140进行设置，使结构更加精简和稳定。在图5和图6所示的结构中，每个计量探头组件140的两端都可看做是两个分支部，在主插杆100的不同高度处具有多组分支部。

本实施例提供的插入式超声波流量计，通过测量声波从位于管道400上游的换能器依次经过两个声反射镜再到下游换能器的传播时间，以及从位于管道400下游的换能器经过两个声反射镜再到上游换能器的传播时间，可以计算出声波沿顺流和逆流的传播时间差，即可进一波计算出管道400内该位置处的流速及管内平均流量。

第四实施例

请参照图7，本实施例提供了一种流量测量方法，应用于上述几个实施例中的流量测量系统。所述方法包括：

步骤S800：获取超声波信号从上游到下游的传播时间tdn以及超声波信号从下游到上游的传播时间tup；

步骤S810：获取tdn和tup之间的传播时间差dt；

步骤S820：获取超声波信号从上游到下游或超声波信号从下游到上游的传播路径长度L，并计算

换能器处的点流速V＝L/(tup*tdn)*dt，

管道断面平均流速Va＝Ki*Kp*V，

管道流量Q＝π*R²*Va，

其中，Kp为流速剖面系数，Kc为仪器标定系数，R为管道内半径。

本实施例提供的流量测量方法，根据所测的时间差以及换能器之间的相对距离，即可计算出流体在换能器所处位置的点流速，再根据流体力学原理，即可根据该点流速计算出管道断面的平均流速及管道流量，实现对流速及流量的精确测量。

综上所述，本发明实施例提供的插入式超声波流量计、流量测量系统及方法，通过将主插杆的一端插入管道内进行测量，在管道的上游和下游间隔对称设置第一分支部和第二分支部，并在所述第一分支部和所述第二分支部上对应设置第一超声波换能器和第二超声波换能器，可构成一个流速测量超声波声道；另外，第一超声波换能器和第二超声波换能器的位置对应，使得声波信号的传输质量更高，便于精确测量管内某一位置的点流速。与现有技术相比，本发明提供的插入式超声波流量计的信号接收能力更强，信道噪声更小，能够使用电池供电，实现了对管道水流低流速及流量的精确测量，且结构更稳定，易于安装。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 (10)

1.一种插入式超声波流量计，应用于管道，其特征在于，包括主插杆，所述主插杆插入所述管道内的一端具有间隔对称设置的第一分支部和第二分支部，所述第一分支部和所述第二分支部分别设置在所述管道的上游和下游，所述第一分支部上设置有第一超声波换能器，所述第二分支部上设置有与所述第一超声波换能器的位置对应的第二超声波换能器。

2.根据权利要求1所述的插入式超声波流量计，其特征在于，所述第一分支部在所述管道内的不同高度上还设置有多个超声波换能器，所述第二分支部上还设置有与所述第一分支部上的多个超声波换能器数量相同且位置对应的多个超声波换能器，所述第一分支部和所述第二分支部上位置对应的每两个超声波换能器构成一个超声波声道，每个所述超声波声道所在的直线与所述管道的中心轴线平行。

3.根据权利要求1所述的插入式超声波流量计，其特征在于，所述第一分支部上设置有与所述第一超声波换能器位于不同高度的第一声反射镜，所述第二分支部上设置有与所述第一声反射镜位于同一高度的第二声反射镜，所述第一声反射镜和所述第二声反射镜的连线与所述管道的中心轴线位于同一平面内，

由所述第一超声波换能器发出的超声波信号经所述第一声反射镜的反射面反射并入射到所述第二声反射镜的反射面上，再由所述第二声反射镜的反射面反射到达所述第二超声波换能器，

由所述第二超声波换能器发出的超声波信号经所述第二声反射镜的反射面反射并入射到所述第一声反射镜的反射面上，再由所述第一声反射镜的反射面反射到达所述第一超声波换能器。

4.根据权利要求3所述的插入式超声波流量计，其特征在于，所述第一分支部和所述第二分支部的不同高度处还设置有多组超声波换能器与声反射镜结构，

每组所述超声波换能器与声反射镜结构中，由一个超声波换能器发出的超声波信号经过两个声反射镜到达与其对应的另一个超声波换能器。

5.根据权利要求1所述的插入式超声波流量计，其特征在于，所述主插杆通过链接法兰固定安装在所述管道上。

6.根据权利要求1所述的插入式超声波流量计，其特征在于，所述主插杆上设置有轴向指示线，所述轴向指示线与所述管道的中心轴线平行。

7.根据权利要求1所述的插入式超声波流量计，其特征在于，所述主插杆上设置有刻度或卡槽，以控制控制所述主插杆在所述管道内的插入深度。

8.一种流量测量系统，其特征在于，包括如权利要求1至7任一项所述的插入式超声波流量计、时差测量单元、参考时钟单元、MCU微处理器、LCD/Buttons显示及按键单元、INTF接口单元、DL外部数据存储单元、RTC实时时钟单元以及PMU电池管理单元，

所述时差测量单元和所述MCU微处理器分别与所述插入式超声波流量计连接，

所述参考时钟单元和所述MCU微处理器分别与所述时差测量单元连接，

所述LCD/Buttons显示及按键单元、所述INTF接口单元、所述DL外部数据存储单元、所述RTC实时时钟单元以及所述PMU电池管理单元分别与所述MCU微处理器连接，

所述时差测量单元的传感器接入端还设置有多声道转换开关。

9.根据权利要求8所述的流量测量系统，其特征在于，还包括温度传感器、压力传感器、温度测量单元TMP和压力测量单元P，

所述温度传感器设置于所述插入式超声波流量计的主插杆上，所述温度测量单元TMP和所述时差测量单元连接，

所述压力传感器设置于所述插入式超声波流量计的主插杆上，所述压力测量单元P和所述MCU微处理器连接。

10.一种流量测量方法，应用于权利要求8至9任一项所述的流量测量系统，其特征在于，所述方法包括：

获取超声波信号从上游到下游的传播时间tdn以及超声波信号从下游到上游的传播时间tup；

获取tdn和tup之间的传播时间差dt；

获取超声波信号从上游到下游或超声波信号从下游到上游的传播路径长度L，并计算

换能器处的点流速V＝L/(tup*tdn)*dt，

管道断面平均流速Va＝Ki*Kp*V，

管道流量Q＝π*R²*Va，

其中，Kp为流速剖面系数，Kc为仪器标定系数，R为管道内半径。