CN108387279A - 一种基于声波矩阵的液体流量测量装置及测量方法 - Google Patents

一种基于声波矩阵的液体流量测量装置及测量方法 Download PDF

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崔石磊
孙鹏华
纪迎春
马建国
张伟峰
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    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters

Abstract

本发明公开了一种基于声波矩阵的液体流量测量装置及测量方法，属于流量测量技术领域。一种基于声波矩阵的液体流量测量装置，包括内部为可以使液体流过的中空结构的矩形测水箱以及设置在测水箱内部相对的两个侧面的两组超声波探头；两组超声波探头均呈矩阵排列并一一对应，对应的两个超声波探头之间的连线与液体的流动方向成夹角设置；超声波探头与控制盒内的测量部连接。本发明设置了超声波探头组成声波矩阵来对流体进行流量测量，可以测量同一高度不同位置不同流速，准确的反应出流体的整体流速，达到了精确测量的目的。本发明结构简单、实用方便，测量准确。

Description

一种基于声波矩阵的液体流量测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于声波矩阵的液体流量测量装置及测量方法，属于流量测量技术领域。
背景技术
在20世纪80年代以前，国内外几乎所有水文站都采用基于转子式流速仪的流速-面积法观测河道断面布置点的平均流速并计算流量。由于具有准确、稳定、结构简单、易于掌握的特点，这种经典的接触式测流仪器依然是我国河流流量检测的主要工具。但由于天然河流复杂的紊动特性难以利用点测量技术获得，或者代价很高，且恶劣的现场环境亦大大增加了水文检测的难度，长久以来不仅导致洪水和干旱等极端条件下的河流流速、流场及总径流变化速率等水流信息难以及时获取，而且导致人们对明渠紊流的认识受限，许多水利工程中应当用紊流理论进行求解的流体力学问题都得不到很好地解决。流量测试技术发展到现在，测试方法更是枚不胜举，如传播速度差法、波束偏移发、多普勒法、空间滤波法等等。我国早期的流量测试设备大部分是靠进口，现在我们已经精确的掌握了这种技术，并迅速投产到过程工业、能量计量、城市公用事业，这也促使流量仪表迅速发展。微电子技术和计算机技术的飞跃发展更是极大的推动了流量仪表的更新换代，新的流量仪表也如雨后春笋般涌现出来。
超声波在流动的流体中传播时就载上流体的流速信息。通过顺逆流时声波传输时产生的时差就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声脉冲从一个传感器到达另一个传感器。当液体不流动时，超声脉冲以相同的速度在两个方向上传播。如果箱体中的液体有一定的流速(流速一定大于零)，则顺着流动的超声脉冲会传输的快一些，而逆着流动方向的超声脉冲会慢一些。这样顺流传输时间会短一些，逆流传输时间会长一些。根据相关的计算方法，测算出流量。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够精确进行流速测量进行得到流量的基于声波矩阵的液体流量测量装置及测量方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于声波矩阵的液体流量测量装置，包括内部为可以使液体流过的中空结构的矩形测水箱以及设置在测水箱内部相对的两个侧面的两组超声波探头；两组超声波探头均呈矩阵排列并一一对应，对应的两个超声波探头之间的连线与液体的流动方向成夹角设置；超声波探头与控制盒内的测量部连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：测水箱的流体进口端固定设置导流框。
本发明技术方案的进一步改进在于：导流框的内侧倒圆角。
本发明技术方案的进一步改进在于：导流框的内侧倒斜角。
本发明技术方案的进一步改进在于：测量部包括门电路选择器以及与门电路选择器连接的ARM单片机和时间数字芯片；时间数字芯片还与ARM单片机连接；超声波探头与门电路选择器连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：每组超声波探头在水平的液体流动方向设置2～4个，每组超声波探头在竖直方向设置4～8个。
一种使用基于声波矩阵的液体流量测量装置的测量方法，将测量装置放入需要测量的流动的液体中，启动测量装置；超声波探头周期性发射信号，测量部计算出上游和下游的飞行时间差，然后通过公式计算一对超声波探头测量到的液体流速，公式如下，
式中，Δt为上游和下游的飞行时间差，c0为液体当中的声速，α为信号发送端的超声波探头与信号接收端的超声波探头之间的连线与液体的流动方向的水平垂直方向之间的夹角，L为测量管段的路径；
在计算出流速后结合水流的横截面积得出流过声波矩阵的整体流量。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：每层超声波探头测量单层流速后整合得到完整的液体流速。
本发明上述技术方案的进一步改进在于：测量管段的路径L＝c0*T*N/2，其中c0为液体当中的声速，T为超声波探头发生脉冲信号的周期
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：
本发明由于通过声波矩阵进行流量测量，可以有效的避免因水流流态的不稳定、而引起的无法精准测量的问题。由于每组超声波探头在水平的液体流动方向设置2～4个，这样就可以测量同一高度不同位置不同流速，有效的避免了不同位置不同流速造成与实际测量相差较大的问题。每组超声波探头在竖直方向设置4～8个，可以有效的避免不同流层流速不同的问题，准确的反应出当前流体的整体流速，达到精确测量的目的。
本发明由于在采用标准的矩形测水箱结构，避免了因为土建不标准而带来的横截面积不准确的影响。整合之后的精准流速，标准的横截面积，使河道的水流流量可以很轻松的获取。
本发明由于在进口端设置导流框可以有效的避免因水流突然进入装置而造成过多的流速损失，可以使水流在测水箱内流动的更加平稳，可以更精准的测量流速。
本发明的液体流速测量装置能够适用于水渠、管道等不易测量流速的场合，能够准确的进行流速测量，便于操作，测量精确。
附图说明
图1是本发明立体示意图；
图2是本发明主视图；
图3是本发明测量部示意图；
其中，1、测水箱，2、超声波探头，3、导流框。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：
本发明公开了一种使用声波矩阵的液体流速测量装置，用于对不同环境下的液体流速进行测量的装置，通过将超声波探头呈矩阵排列来精确测量液体的整体流速，进而得到液体的流量。下面是具体的实施例：
本发明公开了一种基于声波矩阵的液体流量测量装置，如图1、图2所示，包括矩形的测水箱1以及两组超声波探头2；矩形的测水箱1为中空结构并且两端开口，液体(例如水等)可以流过中空结构的测水箱1；两组超声波探头2分别设置在测水箱1的内部相对的两个侧面上，每组超声波探头2均呈矩形排列，一个侧面上的超声波探头2在另一个侧面上均有一个超声波探头与之相对应。超声波探头为收发一体式的，在实际测量中，如果左侧面上的超声波探头发送信号则右侧面上的超声波探头接受信号；然后信号发送端和信号接受端反转，即右侧面上的超声波探头发送信号，左侧面上的超声波探头接收信号。相对应的保证超声波信号能够精确的发送和接收；超声波探头2与控制盒内的测量部连接，超声波探头2将探测到的信号传输给测量部。对应的两个超声波探头2之间的连线与液体的流动方向成夹角设置，即一侧面的超声波探头位于流体的上游，另一侧面的超声波探头位于流体的下游，将相对应的位于上游的超声波探头2与位于下游的超声波探头2之间的连线与液体流动方向之间的夹角记做α。
测量部包括门电路选择器以及与门电路选择器连接的ARM单片机和时间数字芯片；时间数字芯片还与ARM单片机连接；超声波探头与门电路选择器连接，具体如图3所示。由于采用ARM单片机作为处理芯片，可以确保电路通过逻辑门的时间可以非常的精确，测量单元是通过start信号触发，stop信号截止，由于环形振荡器的位置和数值计数器的计数值可以计算出start信号和stop信号之间的时间间隔。初始化之后，时间数字芯片的高速测量单元接收到start脉冲之后开始工作直到达到设置的采样数或者遇到测量溢出后才停止工作。在测量结束后ALU将HIT1和HIT2的设置处理数据并把结果输出寄存器给ARM单片机芯片。ARM单片机芯片可以高速处理反馈回来的信号通过两次脉冲之间的时间差换算出流速。ARM单片机是一种常用的单片机芯片，在此用作时间的测量是使用了其测量时间的功能。测量部主要是通过超声波探头发射和接受信号的过程来计算信号的传输时间，为之后的流速的计算提供条件。
在液体流量的测量工作中，主要的是对于流速的测量，在测出流速后结合水流面积即可得出液体的整体流量。具体到该装置中是通过的出每层超声波探头之间的单层流速后整合得到完整的流速，结合水流的横截面积得出整体流量。如果要测量通过测水箱的流量，则测水箱的横截面积可以提前进行测量；如果要测量管道的流量，则管道的横截面积可以提前计算。
超声波探头与门电路选择器连接。每组超声波探头在水平的液体流动方向设置2～4个，这样可以避免经过装置时，装置中不同位置流速不同的问题，每组超声波探头在竖直方向设置4～8个，这样可以避免因河道深度不同，不同深度流速不一样的问题。矩阵排列的超声波探头，能够测量单层流速。即每层超声波探头可以测量单层流速后，然后各层超声波探头测得的流速整合得到完整的液体流速。在整合液体整体流速时，可以通过以下方法，中间层位置得到的流速乘以较大的系数0.6-0.8，较上层和较下层得到的流速乘以较小的系数0.3-0.4，最上端和最下端得到的流速乘以系数0.1-0.2。在具体的实施中，声波矩阵的超声波探头的水平方向和竖直方向的个数根据实际的测量流体的截面大小来进行适应性的调整。
在具体的使用中，通过如下方法来使用该装置进行流量的测量。将测量装置放入需要测量的流动的液体中，启动测量装置；超声波探头发射信号，测量部计算出上游和下游的飞行时间差，然后通过公式计算一对超声波探头测量到的液体流速，公式如下，
式中，Δt为上游和下游的飞行时间差，具体是由测量部能够测得。c0为液体当中的声速，可以直接得到；α为对应的两个超声波探头2之间的连线与液体的流动方向之间的夹角，这是该装置的参数一般为1-8°；L为测量管段的路径；
在计算出流速后结合水流的横截面积得出流过声波矩阵的整体流量。
测量管段的路径可以按一下方法进行精确计算：在声波脉冲测量中，t通常是通过测距计数器对从发射脉冲到目标并从目标返回到接收系统期间进入计数器的时钟脉冲个数的累计来测量的。设在t时间内，有N个脉冲进入计数器，时钟脉冲周期为T，振荡频率为f。
式中的1为一个脉冲超声波的周期移动的距离，1＝c0*T/2。当N为1时，测量管道的路径L＝c0*T/2。为了提高测量精度，通常是在一个时间内发射N个超声波脉冲信号，相应的脉冲时间周期缩短，L＝c0*T*N/2，故可以知道周期T的时间越短即振荡频率越大，测量精度会越高。
具体在制造使用过程中，超声波探头是通过理论计算的角度加工成模具注塑成型的，不同尺寸的测水箱所加工的超声波探头角度和安装距离不同。超声波探头安装固定架通过数控车床精确加工出距离和安装尺寸，超声波探头和矩形测水箱之间通过紧固顶紧螺丝固定，硅酮结构胶做密封，减少运输中因为震动对探头位置产生的影响。注塑成型的超声波探头为超声波声楔结构，优先的，自带温补功能，有效的降低了水温对探头精度造成的影响。
将安装完成的测量装置放置在需要测量流速的渠道中(例如水道、河道)中，接通电源，打开装置开关，超声波探头将同等深度不同位置和相同位置不同深度下测得的数据一并交给单片机处理，单片机处理和计算，得到液体流速。
本发明中使用超声波探头结合具有单片机的测量电路能够快速精确的测量通过一组超声波探头的流速。
本发明设置了超声波探头组成声波矩阵来对流体进行流量测量，可以有效的避免因水流流态的不稳定、而引起的无法精准测量的问题。可以测量同一高度不同位置不同流速，同时还可以有效的避免不同流层流速不同的问题，准确的反应出当前渠道中流体的整体流速，能够达到精确测量的目的。

Claims (9)

1.一种基于声波矩阵的液体流量测量装置，其特征在于：包括内部为可以使液体流过的中空结构的矩形测水箱(1)以及设置在测水箱(1)内部相对的两个侧面的两组超声波探头(2)；两组超声波探头(2)一一对应并且均呈矩阵排列，对应的两个超声波探头(2)之间的连线与液体的流动方向成夹角设置；超声波探头(2)与控制盒内的测量部连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波矩阵的液体流量测量装置，其特征在于：测水箱(1)的流体进口端固定设置导流框(3)。
3.根据权利要求2所述的一种基于声波矩阵的液体流量测量装置，其特征在于：导流框(3)的内侧倒圆角。
4.根据权利要求2所述的一种基于声波矩阵的液体流量测量装置，其特征在于：导流框(3)的内侧倒斜角。
5.根据权利要求1所述的一种基于声波矩阵的液体流量测量装置，其特征在于：测量部包括门电路选择器以及与门电路选择器连接的ARM单片机和时间数字芯片；时间数字芯片还与ARM单片机连接；超声波探头与门电路选择器连接。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种基于声波矩阵的液体流量测量装置，其特征在于：每组超声波探头(2)在水平的液体流动方向设置2～4个，每组超声波探头(2)在竖直方向设置4～8个。
7.一种使用基于声波矩阵的液体流量测量装置的测量方法，其特征在于：将测量装置放入需要测量的流动的液体中，启动测量装置；超声波探头周期性发射信号，测量部计算出上游和下游的飞行时间差，然后通过公式计算一对超声波探头测量到的液体流速，公式如下，
式中，Δt为上游和下游的飞行时间差，c0为液体当中的声速，α为信号发送端的超声波探头与信号接收端的超声波探头之间的连线与液体的流动方向的水平垂直方向之间的夹角，L为测量管段的路径；
在计算出流速后结合水流的横截面积得出流过声波矩阵的整体流量。
8.根据权利要求7所述的使用基于声波矩阵的液体流量测量装置的测量方法，其特征在于：每层超声波探头测量单层流速后整合得到完整的液体流速。
9.根据权利要求7所述的使用基于声波矩阵的液体流量测量装置的测量方法，其特征在于：测量管段的路径L＝c0*T*N/2，其中c0为液体当中的声速，T为超声波探头发生脉冲信号的周期。
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