CN107782387A - 一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构与安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构与安装方法，包括成对出现且均垂直安装于管道壁的第一流量测量传感器和第二流量测量传感器，第一流量测量传感器和第二流量测量传感器的底端均设有可发射和接收波束的波束端，第一波束端与第二波束端之间构成的波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°。本发明将流量测量传感器垂直安装于管道壁，降低了流量测量传感器的安装复杂度以及安装成本，另外，本发明的波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°，降低了流体的雷诺数对测量系数的影响，提高了大流速范围多工况流量测量的精度。本发明可广泛应用于流量测量领域。

Description

一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构与安装方法

技术领域

本发明涉及流量测量领域，尤其是一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构与安装方法。

背景技术

飞行时间法测量(Transit Time Ultrasonic Flow Measurement)，指的是用一对波束换能器相向交替(或同时)收发波束，通过检测波束在介质中的顺流和逆流传播时间差来计算测量流体的流速，再通过流速来计算流量。可应用于流量测量的波束有声波、超声波和光波。

波束流量计因没有运动部件、使用寿命长、精度高且稳定性好，在越来越多的场合得到应用，例如双道和多道超声波流量计已逐步推广应用到石油化工等高精度要求的领域。大口径波束流量计可以通过使用现场插入式传感器，在现有管道上即可加装流量测量装置，大幅度减少大口径流量计的管段加工、运输和现场安装以及中断流体输送的成本。

双道或多道波束测量可以大幅提高流量测量的稳定性和精度，这主要是由于单道测量的波束路径只有经过管道中心的一条途径，从理论分析和实际验证都已明确这种测量方式的流量测量系数即时差测量结果与实际流量的比值受雷诺数影响很大，流体雷诺数与流体流速、粘度及管道口径都相关，即便使用多个经过管道中心的波道也不能解算流速分布对流量测量系数的影响，因此单道流量测量，或多道经过管道中心的波道测量的稳定性和精度难以满足多数工业应用场合的要求。

以超声波流量计为例，目前插入式波束流量计传感器大多数只能测量通过管道轴线的声道，这种插入式波束传感器的发射方向与安装轴线呈一定夹角，虽然这种传感器的安装过程简单，但是测量系数受流体的流速、粘度和转弯、阀门等扰动的影响很大。使用两个或多个不经过管道圆心的声道可以解决流量系数的解算问题，使流量计在多种工况下达到稳定的测量精度，特别是声道的弦心距为半径1/2的路径(以下简称“半弦心距路径”)设计，流量系数在广泛的雷诺数范围内接近于1.00。如图5所示，对比两种波束路径流量测量系数与雷诺数的关系，可以看出半弦心距路径在大范围的流体工况下流量系数非常稳定，对于流量测量精度的稳定性很有优势。

但是在实际应用中，不经过管道圆心的波束路径一般只适用于中小口径的管段式流量计的生产，并在工厂内安装调试，较大口径流量计生产或需要在现场安装插入式流量计的情况下，在管道上精确定位、定向安装传感器的难度很大。例如，德国西门子公司推出了双道插入式传感器用于现场安装，实现半弦心距波束路径，能够获得较高的大流量范围的测量精度，但这种双道插入式传感器的现场安装过程非常复杂，如图2和图3，它需要在安装现场的管道表面焊接特制的斜套管来安装传感器，这种斜角套管根据管道大小有不同型号，现场需要特殊工装进行斜角焊接和钻孔，对操作精度要求很高，安装难度和成本很高，应用受到较大限制。另一方面，由于是倾斜角安装传感器，遇有使用过程中传感器损坏，不停止流量在线更换传感器的难度也较大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种安装复杂度和安装成本低，且流量测量精度高的，基于飞行时间法的流量测量传感器结构。

本发明的另一个目的在于：提供一种安装方便，流体的雷诺数对测量系数的影响较小且流量测量精度高的，基于飞行时间法的流量测量传感器的安装方法。

本发明所采取的第一个技术方案是：

一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，包括成对出现的第一流量测量传感器和第二流量测量传感器，所述第一流量测量传感器和第二流量测量传感器均垂直安装于管道壁，所述第一流量测量传感器的底端设有可发射和接收波束的第一波束端，所述第二流量测量传感器的底端设有可发射和接收波束的第二波束端，所述第一波束端与第二波束端之间构成波束直线，所述波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°。

进一步，所述第一流量测量传感器的安装轴线与第一流量测量传感器的结构中心线重合且通过管道圆心，所述第二流量测量传感器的安装轴线与第二流量测量传感器的结构中心线重合且通过管道圆心，所述第一流量测量传感器的顶端设有第一流量方向标，所述第二流量测量传感器的顶端设有第二流量方向标，所述第一流量方向标和第二流量方向标的指示方向均可调至与管道轴线平行。

进一步，所述第一流量测量传感器的安装轴线和第二流量测量传感器的安装轴线均与波束直线构成第一夹角，所述第一夹角的取值范围为30°～70°。

进一步，所述第一流量测量传感器的安装轴线和第二流量测量传感器的安装轴线均与波束直线在管道横截面上的投影之间构成第二夹角，所述第二夹角的取值范围为25°～35°。

进一步，所述波束直线与第一流量测量传感器的安装轴线构成第一平面，第一流量方向标的指示方向与第一平面之间构成第三夹角，所述第三夹角γ的表达式为：其中，α代表第一夹角，β代表第二夹角。

进一步，所述第一流量测量传感器与第二流量测量传感器的结构相同或者互为镜像。

进一步，所述波束为声波、超声波、电磁波或光波。

本发明采取的第二个技术方案是：

一种基于飞行时间法的流量测量传感器的安装方法，包括以下步骤：

将流量测量传感器对的第一流量测量传感器垂直安装于管道壁，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁，使波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°；

所述将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁这一步骤，包括以下步骤：

根据设定的第二夹角，计算第二流量测量传感器的安装轴线与第一流量测量传感器在管道截面上构成的第四夹角，所述第四夹角θ的计算公式为：θ＝180°-2*β，其中，第二夹角β为第一流量测量传感器的安装轴线或第二流量测量传感器的安装轴线与波束直线在管道横截面上的投影之间构成的夹角；

计算第二流量测量传感器的安装点沿管道轴线方向与第一流量测量传感器之间的偏移间距，所述偏移间距L的计算公式为：L＝ID*cos(β)*sin(β)/tan(γ)，其中，第三夹角γ为第一流量方向标的指示方向与第一平面之间构成的夹角，第一平面由波束直线与第一流量测量传感器的安装轴线构成，ID代表管道直径；

根据计算的第四夹角和偏移间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁。

进一步，所述根据计算的第四夹角和偏移间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁这一步骤，包括以下步骤：

判断第一流量测量传感器和第二流量测量传感器之间的波束是否经过管壁反射，若是，则执行下一步骤；反之，则直接根据计算的第四夹角和偏移间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁；

计算第一流量测量传感器与第二流量测量传感器安装位置在管道截面上的夹角θ’，所述夹角θ'的计算公式为θ'＝θ*(N+1)，其中，θ为第四夹角，N为波束在管道内壁的反射次数；

根据偏移间距计算安装间距，所述安装间距L'的计算公式为：L'＝L*(N+1)，其中，L为偏移间距，N为波束在管道内壁的反射次数；

根据计算的夹角θ'和安装间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁。

进一步，还包括将第一流量方向标和第二流量方向标的指示方向均调至与管道轴线平行的步骤。

本发明的传感器结构的有益效果是：本发明的一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，通过垂直安装于管道壁的流量测量传感器安装结构，降低了流量测量传感器的安装复杂度以及安装成本，提高了安装精度；另一方面，本发明的流量测量传感器更容易实现在线更换，大幅降低了使用维护成本。

本发明的安装方法的有益效果是：通过固定的第四夹角和偏移间距计算公式输入管道直径可以快速计算出流量传感器的安装位置，操作人员无需较高的专业知识及使用复杂的安装工装调校角度，只需按照操作步骤安装即可方便地实现波束路径不经过管道圆心，特别是可方便实现波束路径经过半弦心距路径和各种反射路径，降低了流体的雷诺数对测量系数的影响，大大提高了大流量测量精度和适用范围，使本发明的广泛应用成为可能。

附图说明

图1为本发明一种基于飞行时间法的流量测量传感器安装方法的角度计算立体视图；

图2为现有流量测量传感器的安装结构主视图；

图3为现有流量测量传感器平行波道安装结构图；

图4为本发明一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构示意图；

图5为通过圆心波束与半弦心距波束测量的流量测量补偿系数曲线对比图；

图6为本发明一种基于飞行时间法的流量测量传感器安装方法的一种实现方式的操作步骤流程图；

图7为流量测量传感器的波束在管道内壁反射一次的侧向示意图；

图8为流量测量传感器的波束在管道内壁反射一次的截面视图；

图9为流量测量传感器的波束在管道内壁反射两次的侧向示意图；

图10为流量测量传感器的波束在管道内壁反射两次的截面视图；

图11为实施例一将流量测量传感器垂直安装于管道壁的示意图；

图12为实施例一流量测量传感器安装方法的角度计算立体视图。

附图标记：1.第一夹角；2.第二夹角；3.第三夹角；4.偏移间距；5.管道直径；6.方向标；7.流量测量传感器的结构中心线；8.一对传感器的安装夹角θ；9.传感器波束方向管道截面上的投影的弦心距。

具体实施方式

参照图1，一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，包括成对出现的第一流量测量传感器和第二流量测量传感器，所述第一流量测量传感器和第二流量测量传感器均垂直安装于管道壁，所述第一流量测量传感器的底端设有可发射和接收波束的第一波束端，所述第二流量测量传感器的底端设有可发射和接收波束的第二波束端，所述第一波束端与第二波束端之间构成波束直线，所述波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°。

参照图4，进一步作为优选的实施方式，所述第一流量测量传感器的安装轴线与第一流量测量传感器的结构中心线7重合且通过管道圆心，所述第二流量测量传感器的安装轴线与第二流量测量传感器的结构中心线7重合且通过管道圆心，所述第一流量测量传感器的顶端设有第一流量方向标，所述第二流量测量传感器的顶端设有第二流量方向标，所述第一流量方向标和第二流量方向标的指示方向均可调至与管道轴线平行。

其中，流量测量传感器结构上具有三条特征直线：传感器的安装轴线，传感器的波束直线，以及传感器的流量方向标直线。

流量方向标6用于调整流量测量传感器接收或者发射波束的方向，具体过程为：安装好的流量测量传感器以结构中心线为轴线进行旋转，进而带动调整流量方向标6的指示方向。当一对流量方向标的方向同时调整至与管道轴线一致时，即可实现波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述第一流量测量传感器的安装轴线和第二流量测量传感器的安装轴线均与波束直线构成第一夹角1，所述第一夹角1的取值范围为30°～70°。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述第一流量测量传感器的安装轴线和第二流量测量传感器的安装轴线均与波束直线在管道横截面上的投影之间构成第二夹角2，所述第二夹角2的取值范围为25°～35°。

参照图1，进一步作为优选的实施方式，所述波束直线与第一流量测量传感器的安装轴线构成第一平面，第一流量方向标的指示方向与第一平面之间构成第三夹角3，所述第三夹角γ的表达式为：其中，α代表第一夹角1，β代表第二夹角2。

进一步作为优选的实施方式，所述第一流量测量传感器与第二流量测量传感器的结构相同或者互为镜像。

进一步作为优选的实施方式，所述波束为声波、超声波、电磁波或光波。

与图1的结构相对应，本发明一种基于飞行时间法的流量测量传感器的安装方法，包括以下步骤：

将流量测量传感器对的第一流量测量传感器垂直安装于管道壁，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁，使波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°；

所述将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁这一步骤，包括以下步骤：

根据设定的第二夹角2，计算第二流量测量传感器的安装轴线与第一流量测量传感器在管道截面上构成的第四夹角，所述第四夹角θ的计算公式为：θ＝180°-2*β，其中，第二夹角β为第一流量测量传感器的安装轴线或第二流量测量传感器的安装轴线与波束直线在管道横截面上的投影之间构成的夹角；

计算第二流量测量传感器的安装点沿管道轴线方向与第一流量测量传感器之间的偏移间距4，所述偏移间距L的计算公式为：L＝ID*cos(β)*sin(β)/tan(γ)，其中，第三夹角γ为第一流量方向标的指示方向与第一平面之间构成的夹角，第一平面由波束直线与第一流量测量传感器的安装轴线构成，ID代表管道直径5；

根据计算的第四夹角8和偏移间距4，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁。

其中，所述第一流量测量传感器的顶端设有第一流量方向标。

进一步作为优选的实施方式，所述根据计算的第四夹角8和偏移间距4，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁这一步骤，包括以下步骤：

判断第一流量测量传感器和第二流量测量传感器之间的波束是否经过管壁反射，若是，则执行下一步骤；反之，则直接根据计算的第四夹角8和偏移间距4，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁；

计算第一流量测量传感器与第二流量测量传感器安装位置在管道截面上的夹角θ’，所述夹角θ'的计算公式为θ'＝θ*(N+1)，其中，θ为第四夹角8，N为波束在管道内壁的反射次数；

根据偏移间距4计算安装间距，所述安装间距L'的计算公式为：L'＝L*(N+1)，其中，L为偏移间距4，N为波束在管道内壁的反射次数；

根据计算的夹角θ'和安装间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁。

进一步作为优选的实施方式，还包括将第一流量方向标和第二流量方向标的指示方向均调至与管道轴线平行的步骤。

参照图7和图8，本发明的流量测量传感器之间可通过一次管道内壁反射来实现波束的接收与发射。

参照图9和图10，本发明的流量测量传感器之间可通过两次管道内壁反射来实现波束的接收与发射。

另外，对于液体以及气体，均可使用本发明的流量测量传感器的结构进行流量测量。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。

实施例一

现有西门子公司推出的双道插入式传感器的现场安装过程非常复杂，如图2和图3所示，它需要在安装现场的管道表面焊接特制的斜套管来安装传感器，对操作精度要求很高，设备成本很高。本发明不需要在安装现场的管道表面焊接特制的斜套管，只需通过普通的管壁打孔即可将流量测量传感器垂直安装于管道壁，大大降低了流量测量传感器的安装复杂度以及安装成本。

下面以第二夹角2为30°，发射波束为声波的一种基于飞行时间法的流量测量传感器为例，详细介绍本发明的流量测量传感器的一种结构以及安装方法。

参照图1，一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构包括第一流量测量传感器和第二流量测量传感器，两者均垂直安装于管道壁。第一流量测量传感器和第二流量测量传感器的上方分别设有第一流量方向标和第二流量方向标。通过调整第一流量方向标使第一夹角1达到设定的30°，同时调整第一流量方向标和第二流量方向标的指示方向，直至两者均与管道轴线方向一致，使波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°。

参照图1、图6和图12，基于上述结构的一种流量测量传感器的安装方法的具体步骤为：

S1、如图11所示，将第一流量测量传感器垂直安装于管道壁。

S2、调整第一流量方向标，使第二夹角2达到最佳设计的30°并使第一夹角1达到设定角度。

S3、根据设定的第一夹角1和第二夹角2，计算第三夹角3，所述第三夹角3的计算公式为：其中，γ代表第三夹角3，α代表第一夹角1，β代表第二夹角2；

S4、根据设定的第二夹角2，计算第二流量测量传感器的安装轴线与第一流量测量传感器在管道截面上构成的第四夹角8，所述第四夹角的计算公式为：θ＝180°-2*β，其中，θ为第四夹角8，β为第二夹角2；

S5、根据设定的第一夹角1和设定的第二夹角2以及计算的第三夹角3，计算第二流量测量传感器的安装点沿管道轴线方向与第一流量测量传感器之间的偏移间距；

其中，偏移间距的计算过程具体为：

根据设定的第一夹角1和设定的第二夹角2以及计算的第三夹角3，计算第二流量测量传感器的安装点沿管道轴线方向与第一流量测量传感器之间的偏移间距4，所述偏移间距4的计算公式为：L＝ID*cos(β)*sin(β)/tan(γ)，其中，L代表偏移间距4，ID代表管道直径5；

S6、判断第一流量测量传感器和第二流量测量传感器之间的波束是否经过管壁反射，若是，则执行下一步骤；反之，则直接根据计算的第四夹角和偏移间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁；

计算第一流量测量传感器与第二流量测量传感器安装位置在管道截面上的夹角θ’，所述夹角θ'的计算公式为θ'＝θ*(N+1)，其中，θ为第四夹角8，N为波束在管道内壁的反射次数；

根据偏移间距计算安装间距，所述安装间距的计算公式为：L'＝L*(N+1)，其中，L'为安装间距，L为偏移间距4，N为波束在管道内壁的反射次数；

根据计算的夹角θ'和安装间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁。

S7、将第一流量方向标和第二流量方向标的指示方向均调至与管道轴线平行。

参照图5，以发射波束为声波的流量测量传感器为例，当波束直线穿过管道截面的圆心时，流量补偿系数受变化中的雷诺数影响较大，结果不稳定；当波束直线设置为半弦高时，流量补偿系数受变化中的雷诺系数影响较小，结果稳定可靠。因此，本实施例将波束直线与管道轴线的最短距离设置为管道半径的一半(即半弦心距波束9)，可大大提高大流量测量的精度，降低流体的雷诺数对测量系数的影响。

以上描述的实施方式和附图中方向标志为方向杆，也可以是刻蚀箭头，开槽等各种形式，以达到指示和调整传感器安装绕轴线旋转定位的目的，均符合本发明的实质，包含在本申请权利要求所限定的范围内。

以上描述的实施方式、附图及计算公式中，传感器用于发射或者接收的中心点落在传感器轴线上，实际应用中该中心点的位置也可以有一定偏移，这种偏移可以在计算公式中反映出来，仍符合本发明的实质，包含在本申请权利要求所限定的范围内。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，其特征在于：包括成对出现的第一流量测量传感器和第二流量测量传感器，所述第一流量测量传感器和第二流量测量传感器均垂直安装于管道壁，所述第一流量测量传感器的底端设有可发射和接收波束的第一波束端，所述第二流量测量传感器的底端设有可发射和接收波束的第二波束端，所述第一波束端与第二波束端之间构成波束直线，所述波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°。

2.根据权利要求1所述的一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，其特征在于：所述第一流量测量传感器的安装轴线与第一流量测量传感器的结构中心线重合且通过管道圆心，所述第二流量测量传感器的安装轴线与第二流量测量传感器的结构中心线重合且通过管道圆心，所述第一流量测量传感器的顶端设有第一流量方向标，所述第二流量测量传感器的顶端设有第二流量方向标，所述第一流量方向标和第二流量方向标的指示方向均可调至与管道轴线平行。

3.根据权利要求2所述的一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，其特征在于：所述第一流量测量传感器的安装轴线和第二流量测量传感器的安装轴线均与波束直线构成第一夹角，所述第一夹角的取值范围为30°～70°。

4.根据权利要求3所述的一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，其特征在于：所述第一流量测量传感器的安装轴线和第二流量测量传感器的安装轴线均与波束直线在管道横截面上的投影之间构成第二夹角，所述第二夹角的取值范围为25°～35°。

5.根据权利要求4所述的一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，其特征在于：所述波束直线与第一流量测量传感器的安装轴线构成第一平面，第一流量方向标的指示方向与第一平面之间构成第三夹角，所述第三夹角γ的表达式为：其中，α代表第一夹角，β代表第二夹角。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，其特征在于：所述第一流量测量传感器与第二流量测量传感器的结构相同或者互为镜像。

7.根据权利要求1-5任一项所述的一种基于飞行时间法的流量测量传感器的结构，其特征在于：所述波束为声波、超声波、电磁波或光波。

8.一种基于飞行时间法的流量测量传感器的安装方法，其特征在于：包括以下步骤：

将流量测量传感器对的第一流量测量传感器垂直安装于管道壁，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁，使波束直线不与管道轴线相交且波束直线与管道轴线之间的夹角小于90°；

所述将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁这一步骤，包括以下步骤：

根据设定的第二夹角，计算第二流量测量传感器的安装轴线与第一流量测量传感器在管道截面上构成的第四夹角，所述第四夹角θ的计算公式为：θ＝180°-2*β，其中，第二夹角β为第一流量测量传感器的安装轴线或第二流量测量传感器的安装轴线与波束直线在管道横截面上的投影之间构成的夹角；

计算第二流量测量传感器的安装点沿管道轴线方向与第一流量测量传感器之间的偏移间距，所述偏移间距L的计算公式为：L＝ID*cos(β)*sin(β)/tan(γ)，其中，第三夹角γ为第一流量方向标的指示方向与第一平面之间构成的夹角，第一平面由波束直线与第一流量测量传感器的安装轴线构成，ID代表管道直径；

根据计算的第四夹角和偏移间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁。

9.根据权利要求8所述的一种基于飞行时间法的流量测量传感器的安装方法，其特征在于：所述根据计算的第四夹角和偏移间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁这一步骤，包括以下步骤：

判断第一流量测量传感器和第二流量测量传感器之间的波束是否经过管壁反射，若是，则执行下一步骤；反之，则直接根据计算的第四夹角和偏移间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁；

计算第一流量测量传感器与第二流量测量传感器安装位置在管道截面上的夹角θ’，所述夹角θ'的计算公式为θ'＝θ*(N+1)，其中，θ为第四夹角，N为波束在管道内壁的反射次数；

根据偏移间距计算安装间距，所述安装间距L'的计算公式为：L'＝L*(N+1)，其中，L为偏移间距，N为波束在管道内壁的反射次数；

根据计算的夹角θ'和安装间距，将第二流量测量传感器垂直安装于管道壁。

10.根据权利要求8或9所述的一种基于飞行时间法的流量测量传感器的安装方法，其特征在于：还包括将第一流量方向标和第二流量方向标的指示方向均调至与管道轴线平行的步骤。