CN108120481A - 一种超声流量计量方法与计量处理装置 - Google Patents

一种超声流量计量方法与计量处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声流量计量方法与计量处理装置。方法包括：构成计量声道的一对传感器中的第一传感器发射声波，接收该对传感器中的第二传感器反射的声波信号；计量所述声波发射与反射的往返时间；将所述往返时间作为被测介质流速的计量时间进行计量；根据所述流速进行流量的计量。本发明可采用单声道对流量进行准确测量，解决了现有技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，同时解决了采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，保证了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。

Description

一种超声流量计量方法与计量处理装置
技术领域
本发明涉及超声流量计量技术领域，尤其涉及一种气体超声波流量计量方法。
背景技术
近年来国家出台政策鼓励使用清洁能源，越来越多的终端用户使用天然气替代煤炭，减少空气污染，提高环境质量。但是城市低压天然气计量大多采用机械式技术如家庭与工商业户用皮膜表、腰轮、涡轮流量计等，此类流量计(表)存在机械转动部件，随着运行时间加长，机械传动部分会因脏污、磨损等使贸易计量产生偏差。但常用的机械技术计量表及流量计并不具备智能诊断功能，无法判断计量仪表是否处于正常工作状态，同时也不能避免、报警偷气现象的发生，造成燃气公司供销差往往较大，导致经营损失。
气体超声流量计因其无转动部件，具备智能诊断功能，在长输高压管线分输站得到广泛应用。遵照相关国际与国家标准，现存气体超声流量计采用时间差法，通过两个超声传感器测量正反两方向声速传输时间，导出气体流速，达到计量气体流量的目的。时间差法示意图见附图1。时间差法公式如下：
及
按照上述公式，推导出时间差法公式为：
及
其中：
tAB＝传感器A到传感器B的声波传输时间
tBA＝传感器B到传感器A的声波传输时间
L＝测量距离
vt＝时间差法测量的气体流速
c＝声速
时间差法要求：构成计量声道的传感器必须配对存在；传感器本身可发射声波，也能接收对面配对传感器的声波信号。
时间差法公式(1)表示：气体流速只与传输时间和测量距离有关，与被测介质的温度、压力、组分及声速等没有关系，能够在复杂变化的现场条件下保证准确的流速测量。这也是时间差法能够广泛应用在速度式气体流量计的主要原因。
时间差法可同时得到气体中传播的测量声速c。根据美国燃气协会AGANo.10实际的声音传播速度C与压力、温度和介质组分等现场影响因素相关联，如果时间差法检测到的声速c与实际声速C之间产生较大偏差，例如超过0.5％，则可表明现场影响因素发生了变化。
目前常见的为对射式四声道气体超声流量计。采用时间差法的超声流量计，每对关联的传感器构成一个独立的计量声道，通常情况下，为保证相对较高的测量精度和冗余备份，贸易计量用气体超声流量计多为两声道及以上。
但大多数家庭与工商业用户年度消费燃气总量相对较少，也因此对应用在低压城市燃气计量用表的计量精度要求不高，仪表采购成本控制也较为严格。目前城市燃气计量市场出现的单声道时间差法的超声流量计(表)，成本虽然低廉，如果构成单声道的其中一个传感器出现故障，则该声道也就同时失去了计量功能，无法做到提前预警、冗余备份等智能诊断与补偿功能，对燃气公司造成计量损失，也会产生计量纠纷和不好的社会影响。如果采用冗余备份的两声道(两对超声传感器)或更多声道设计方案，成本则将大幅增加，燃气公司会因成本控制而减少多声道超声流量计的使用数量。因此现存的成本与冗余之间的矛盾，制约了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种超声流量计量方法与计量处理装置，可采用单声道对流量进行准确测量，并解决现有技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，同时解决采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，保证超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。
本发明提供的超声流量计量方法，采用时间漂移法进行计量，包括：
构成计量声道的一对传感器中的第一传感器发射声波，接收该对传感器中的第二传感器反射的声波信号；
计量所述声波发射与反射的往返时间；
将所述往返时间作为被测介质流速的计量时间进行计量；
根据所述流速进行流量的计量。
上述的计量方法，被测介质为气体，所述往返时间为t，所述介质传播的声速c，所述第一传感器至所述第二传感器的距离L，所述流速vd为：
上述的计量方法，当检测到所述一对传感器中的一个传感器发生故障时，采集该对传感器中正常工作的传感器的超声波发射与反射的往返时间，进行流速的计量。
上述的计量方法，采用单声道超声计量法进行计量。
本发明还提供一种超声流量计量方法，采用单声道双算法的冗余计量法：采用时间差法收集处理构成计量声道中一对传感器的对射时间并计量被测介质的流速与流量；同时采用上述的方法收集处理所述传感器的发射与反射的往返时间并计量被测介质的流速与流量。
上述的计量方法，以时间差法测量出的被测介质流速值为基础，以所述时间漂移法测量出的被测介质流速值作为冗余比对数值，对流速的测量值进行校核。
上述的计量方法，测量超声传输的速度作为声速储存在处理器内存中；当单个所述传感器发生故障时，发出报警信号，调用处理器内存中最近测量的声速，采用所述时间漂移法进行流量的计量。
本发明还提供一种超声流量计量处理装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：采用时间差法收集处理构成计量声道中一对传感器的对射时间并计量被测介质的流速与流量；同时采用所述的时间漂移法收集处理所述传感器的发射与反射的往返时间并计量被测介质的流速与流量。
上述的处理装置，所述处理器执行所述程序时还实现以下步骤：以时间差法测量出的被测介质流速值为基础，以所述时间漂移法测量出的被测介质流速值作为冗余比对数值，对流速的测量值进行校核。
上述的处理装置，所述处理器执行所述程序时还实现以下步骤：测量超声传输的速度作为声速储存在所述存储器中；当单个所述传感器发生故障时，发出报警信号，调用所述存储器中最近测量的声速进行流量的计量。
本发明的超声流量计量方法与计量处理装置，可采用单声道对流量进行准确测量，并解决了背景技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，同时解决了采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，保证了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。
附图说明
图1为背景技术对射式流速计量的流程示意图；
图2为本发明单声道反射法流速计量的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明的超声流量计量方法，可仅采用单声道超声传感器进行流量的计量。该种方法可称为时间漂移法，主要包括如下步骤：构成计量声道的一对传感器中的第一传感器发射声波，接收该对传感器中的第二传感器反射的声波信号；计量所述第一传感器发射并经第二传感器反射的往返时间；将所述发射与反射的往返时间作为流速的计量时间进行计量；根据所述流速进行流量的计量。这里要指出的是，第一传感器与第二传感器可以任意指定，并非特指。
上述的时间漂移法在本文中也称为反射法。相应现有技术的时间差法，本文也称为对射法。时间漂移法的示意图见附图2。
时间漂移法来源于日常现象。例：在静水中划船，A点到B点直线距离L,如以恒速c划船，从A点到B点所需时间为t1,从B点到A点所需时间为t2,往返所需总时间为t,则:
并
显然，t1等于t2，且
如果存在A至B流向的流速恒定水流，流速v不为零时,则：
并
显然，t1不等于t2，时间发生了漂移，且
推导出的时间漂移法公式为：
应用在气体超声流量计时，时间漂移法的公式(3)中：
t＝传感器A测量的往返反射声波传输时间
L＝测量距离
vd＝时间漂移法测量的气体流速
c＝声速
时间漂移法要求：构成计量声道的一对传感器有一个可正常工作即可；传感器发射声波，接收对面传感器反射的声波信号。
时间漂移法公式(3)表示：气体流速与传输时间和测量距离有关外，还与实际声速C有很大关系。本发明中时间漂移法采用的声速可以是根据时间差法推导出的声速c,如公式(2)。
本发明的气体超声流量计(表)可采用单声道双算法的冗余设计，可广泛应用在燃气组分、管道压力等计量条件较为稳定、有固定的停气周期及较低计量精度要求等的城市燃气计量领域。
所述的双算法的冗余计量，包括时间差法和时间漂移法。在单声道的配对超声传感器都正常工作的情况下，两个算法使用的是同样的测量距离和配对传感器测量的声波传输时间等数据；两个算法测量出两个气体流速值；以时间差法测量出的气体流速值为基准，时间漂移法测量出的气体流速值作为冗余比对数值。
所述的冗余设计，在单声道其中一个超声传感器发生故障、只有一个超声传感器正常工作时，可发出故障报警，处理器发出指令，气体流速转换成以正常工作的传感器按时间漂移法测量出的气体流速值。
本发明提供的超声流量计量处理装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：正常运行时，采用时间差法收集处理对射时间并计量被测介质的流速与流量；同时采用所述时间漂移法收集处理所述传感器的反射后的往返时间并计量被测介质的流速与流量。时间差法计量气体流速，同时可测量声波传输速度即声速，并将测量的声速储存在存储器中备用。时间差法和时间漂移法测量的流速可在规定的时间段内进行比对，如果比对数据偏差在某个规定的误差范围如0.5％以内，则可确认时间差法测量的流量是准确的，测量的声速也是准确、有效的。
在单个超声传感器发生故障的情况下，计量处理装置可发出报警信号，申请维修，同时可启用正常运行的超声传感器，选取调用存储器中最近测量的有效声速，采用时间漂移法测量超声波反射后的往返时间，保证准确的流速测量。单声道双算法冗余设计，提供一种易于维修维护、方便管理和冗余保障的低成本气体超声波流量计量解决方案，满足城市燃气用计量仪表的行业标准与客户低成本的需求。
本发明的超声流量计量方法，可采用单声道对流量进行准确测量，并解决了背景技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，同时解决了采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，还可对故障进行报警，保证了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种超声流量计量方法，其特征在于，采用时间漂移法进行计量，包括：
构成计量声道的一对传感器中的第一传感器发射声波，接收该对传感器中的第二传感器反射的声波信号；
计量所述声波发射与反射的往返时间；
将所述往返时间作为被测介质流速的计量时间进行计量；
根据所述流速进行流量的计量。
2.根据权利要求1所述的计量方法，其特征在于，被测介质为气体，所述往返时间为t，所述介质传播的声速c，所述第一传感器至所述第二传感器的距离L，所述流速vd为：
3.根据权利要求1所述的计量方法，其特征在于，当检测到所述一对传感器中的一个传感器发生故障时，采集该对传感器中正常工作的传感器的超声波发射与反射的往返时间，进行流速的计量。
4.根据权利要求1所述的计量方法，其特征在于，采用单声道超声计量法进行计量。
5.一种超声流量计量方法，其特征在于，采用单声道双算法的冗余计量法：采用时间差法收集处理构成计量声道中一对传感器的对射时间并计量被测介质的流速与流量；同时采用权利要求1至4任一所述的方法收集处理所述传感器的发射与反射的往返时间并计量被测介质的流速与流量。
6.根据权利要求5所述的计量方法，其特征在于，以时间差法测量出的被测介质流速值为基础，以所述时间漂移法测量出的被测介质流速值作为冗余比对数值，对流速的测量值进行校核。
7.根据权利要求5所述的计量方法，其特征在于，测量超声传输的速度作为声速储存在处理器内存中；当单个所述传感器发生故障时，发出报警信号，调用处理器内存中最近测量的声速，采用所述时间漂移法进行流量的计量。
8.一种超声流量计量处理装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：采用时间差法收集处理构成计量声道中一对传感器的对射时间并计量被测介质的流速与流量；同时采用权利要求1至4任一所述的方法收集处理所述传感器的发射与反射的往返时间并计量被测介质的流速与流量。
9.根据权利要求8所述的处理装置，其特征在于，所述处理器执行所述程序时还实现以下步骤：以时间差法测量出的被测介质流速值为基础，以所述时间漂移法测量出的被测介质流速值作为冗余比对数值，对流速的测量值进行校核。
10.根据权利要求8所述的处理装置，其特征在于，所述处理器执行所述程序时还实现以下步骤：测量超声传输的速度作为声速储存在所述存储器中；当单个所述传感器发生故障时，发出报警信号，调用所述存储器中最近测量的声速进行流量的计量。
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