CN109084853B - 一种轴向多声道式超声流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴向多声道式超声流量测量装置，为解决目前多声道超声流量测量装置在高流速下声路易被吹偏、换能器相关结构加工复杂以及忽略径向速度差异产生测量误差等问题；该装置包括第一换能器组、流体管道、第二换能器组和控制运算部，其中流体管道包括三个管段，三个管段顺次连接且导通，流量测量管段为直管段；两组换能器位于测量管段两端且直接与待测流体接触，换能器声道与测量管段轴线平行；运算控制部计算每个轴向独立声道区域的流量后加和得到总流量；本发明装置换能器安装、定位简单，换能器结构对管道内流场影响小；声路与流线平行，基本不会被吹偏，保证接收端捕获到较强的信号；分声道区域测量流量可提高测量准确性。

Description

一种轴向多声道式超声流量测量装置

技术领域

本发明涉及一种超声流量测量装置，尤其是涉及一种轴向多声道式超声流量测量装置。

背景技术

超声流量测量仪表是通过观测受流体影响、能够反映流体流速的超声波进行流量测量的仪表。“时间差法”是一种常见的测量原理，当管路内的待测流体流动时，发射端换能器产生的超声波在穿过介质过程中，实际的传播速度可看作静止流体中的声速与流体流速的矢量叠加。因此对于同一路程，声波在顺流与逆流情况下传播时间是不同的，通过精准测量顺逆流的渡越时间便可以求出待测流体流速进而得到流量。

当管路内径较大时，单声道的超声波流量测量方式由于测量区域受限而使得流量计测量精度下降。通过采用多声道的方式，可以获得不同区域的流体流速信息，提高测量精度。目前多声道流量计中换能器多为倾斜安置，声道与流体流线斜交，当流速较大时，超声波束在叠加流体流速后会严重偏离原声道位置，产生波束被“吹偏”的现象，从而使得接收端捕获的超声信号减弱。此外，管段上的声道开孔会干扰管内流场状态，增加测量难度。当管内流体流动状态接近层流，中心处流体流速最高，从中心向外沿径向流速递减，倾斜多声道忽略了这种速度差异，只获得声道上的平均流速，测量不够精确。

另一方面，当涉及多相流测量时，例如半导体行业中常用的氧化硅化学机械研磨液或者浸没式光刻机超纯水回收管路中的气液两相流的流量测量，液相中掺杂的固相颗粒或者气泡常常会阻挡超声波的传递，使用单声道测量流体流量的方式容易出现接收端换能器信号丢失的情况。通过密集布置小尺寸换能器形成多声道的方式实现冗余测量，只要有一个声道能够接收到超声波即可实现流量测量，从而减少了超声波信号丢失的概率，提高了测量的抗干扰性能。

发明内容

本发明的目的在于解决以下问题：

(1)现有多声道超声流量计在较高流体流速下，超声波束被吹偏导致接收端所捕获的信号减弱；

(2)现有多声道超声流量计中的换能器安装结构加工复杂，换能器结构对流场存在较大干扰；

(3)现有多声道超声流量计中倾斜声道忽略沿半径方向的速度差异，测量结果不够精确。

一种轴向多声道式超声流量测量装置，包括第一换能器组、流体管道、第二换能器组和控制运算部，所述的流体管道包括第一管段、第二管段、第三管段，第一管段、第二管段以及第三管段顺次连接且导通，第二管段为直管段；

所述的第一换能器组与第二换能器组每组至少包括2个超声换能器，使得超声流量测量装置至少包含两个声道；第一换能器组与第二换能器组分别位于第二管段两端，并与第二管段内待测流体直接接触；第一换能器组与第二换能器组中配对的超声换能器所形成的声道轴线与第二管段轴线平行或重合；第二换能器组中的超声换能器个数与第一换能器组中的超声换能器个数相等，且位置一一对应，两两成对布置，多个超声换能器将第二换能器组均匀分成多个声道区域；

所述的控制运算部为第一换能器组与第二换能器组中的超声换能器提供激励电信号并对接收电信号进行处理和计算得到总流量。

可选的，所述的第二管段的两侧设置第三法兰与第四法兰；第三法兰与第一换能器安装板连接，并使用第一密封件保证密封；第四法兰与第二换能器安装板连接，并使用第二密封件保证密封；第一换能器组固定于第一换能器安装板上，并且与第二管段内流体直接接触；第二换能器组固定于所述第二换能器安装板上，并且与第二管段内流体直接接触。

可选的，所述的第二管段的两端为第一换能器安装面与第二换能器安装面；第一换能器组固定于第一换能器安装面上，并且与第二管段内流体直接接触；第二换能器组固定于第二换能器安装面上，并且与第二管段内流体直接接触。

可选的，所述的第一换能器组中的超声换能器均匀等距布置，即任一换能器到其他换能器距离的最小值是相等的。

可选的，所述的第二管段的长度L，超声换能器发射的声波的声束扩散角α，两个相邻的所述超声换能器的中心距m，所述超声换能器的直径n之间需要满足Ltan∝<(m-n)。

可选的，所述的待测流体为气体或者液体。

可选的，所述的待测流体能够是多相流。

可选的，当某一所述声道区域接收的超声波信号丢失时，使用与其对称的声道区域的理想平均流速作为该声道区域的理想平均流速。

可选的，各所述声道区域的流量是该声道区域的理想平均流体流速、该声道区域的截面面积以及流场校正系数的乘积。

可选的，各所述的声道区域的流场校正系数是声道区域的实际平均流体流速与理想平均流体流速的商，实际平均流体流速通过对流体管道的流体动力学仿真或者标定实验测试获得，理想平均流体流速是在假设声道轴线与第二管段内对应声道区域中的流体流线完全平行的条件下计算得到的流体流速。

可选的，所有所述的声道区域总流量的计算方法是加和所有声道区域的流量。

本发明的有益效果是：所述轴向多声道式超声流量测量装置中声道基本与第二管段内流线平行，即便在流体流速较大情况下，声波也基本不会被“吹偏”，从而保证接收端能够接收到良好的超声信号；借助多声道将流场截面划分为多个声道区域，结合流体动力学仿真或者标定实验测试，根据不同声道区域的流场状态设定流场校正系数，从而获得各声道区域准确流量；换能器组的安装、定位简单，换能器及其附属结构基本不会对管道内流体流动状态产生干扰；测量对象范围广，可用于气体、液体甚至多相流的流量测量。

附图说明

图1为具体实施方式一的整体结构示意图；

图2为具体实施方式一的管段纵剖面示意图；

图3为第一换能器组与第二换能器组对应关系示意图；

图4为第二管段流场截面声道区域划分示意图；

图5为第二管段与换能器空间尺寸示意图；

图6为具体实施方式一的第一换能器安装板正视图；

图7为具体实施方式一的第一换能器安装板沿图6剖面线的剖面示意图；

图8为第二管段流场流速分布以及声道区域划分示意图；

图9为多相流流量测量中某一声道区域测量出错与修正说明图；

图10为具体实施方式二的整体结构示意图；

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1与图2介绍本实施方式，一种轴向多声道式超声流量测量装置，包括第一换能器组1、第一换能器安装板2、第一密封件4、流体管道3、第二密封件6、第二换能器安装板5、第二换能器组7、控制运算部。

所述流体管道3包括第一管段3-6、第二管段3-2、第三管段3-4、第一法兰3-7、第二法兰3-3、第三法兰3-1和第四法兰3-5。其中，第一管段3-6、第二管段3-2以及第三管段3-4顺次连接构成流体通道，第二管段3-2是流量测量管段。所述流体管道3通过第一法兰3-7、第二法兰3-3与外部管段连接；通过第三法兰3-1与第一换能器安装板2连接，并使用第一密封件4保证密封；通过第四法兰3-5与第二换能器安装板5连接，并使用第二密封件6保证密封。

结合图3和图4说明第一换能器组1与第二换能器组7的声道区域对应关系。所述第一换能器安装板2上的第一换能器组1与第二换能器安装板5上的第二换能器组7中换能器两两成对布置；所述第一超声换能器1-1与第八超声换能器7-1组成第一声道9-1，作用于第一声道区域8-1；类似地，第二超声换能器1-2与第九超声换能器7-2对应，作用于第二声道区域8-2；第三超声换能器1-3与第十超声换能器7-3对应，作用于第三声道区域8-3；第四超声换能器1-4与第十一超声换能器7-4对应，作用于第四声道区域8-4；第五超声换能器1-5与第十二超声换能器7-5对应，作用于第五声道区域8-5；第六超声换能器1-6与第十三超声换能器7-6对应，作用于第六声道区域8-6；第七超声换能器1-7与第十四超声换能器7-7对应，作用于第七声道区域8-7。

图4给出的第二管段3-2的流场截面被分成了7块面积相同的声道区域，包括第一层圆形区域以及第二层圆环区域中的六个扇环区域，每个区域内包含一个声道。假定流场边界12的圆直径为D，七个声道均匀分布在此圆形区域内，并且声道之间的位置存在以下关系，第二层环形区域中任意相邻两声道中心点间距均为0.35D，第二层环形区域中任意换能器与第一层圆形区域中换能器中心间距均为0.35D，第七声道区域8-7直径为0.38D。

图5所示第二管段3-2的截面示意图，第二管段3-2的流场边界12直径为D，长度为L，第七超声换能器1-7的声束扩散角为α，第八超声换能器7-1与第十四超声换能器7-7的中心距为m，第十四超声换能器7-7的直径为n。为了避免换能器之间相互干涉，例如第七超声换能器1-7发射的超声波由于声束扩散而被第九换能器7-1与第十一超声换能器7-4接收，第二管段3-2长度L需要满足Ltan∝<(m-n)。

如图6所示，第一换能器安装板2上有换能器安装螺纹孔2-1，用于安装螺钉以对换能器进行固定；换能器安装密封槽2-3，用于放置密封圈以防止流体泄漏；法兰连接孔2-2，用于安装与第三法兰3-1连接的紧固螺钉；换能器通孔2-4，用于保证换能器组1发射面直接与流体接触；换能器安装面2-5，用于保证换能器的正确安装定位；第二换能器安装板5与第一换能器安装板2的结构相同。如图7所示，第一换能器安装板2结构简单且易加工，方便多个换能器的安装定位，另外也能保证换能器与待测流体直接接触。

结合图1-图5以及图8说明本发明的测量原理，假定待测流体从第一管段3-6流入，经过第二管段3-2从第三管段3-4流出，图2的中心流线10大致反映了管段内流体的流动状况，在第二管段3-2内中心流线10基本与第一声道9-1平行。测量时，控制运算部产生激励信号激发第一换能器组1，第一换能器组1产生的超声波穿过第二管段3-2内部流体介质后被第二换能器组7所接收，控制运算部获得顺流渡越时间值；之后控制运算部产生激励信号激发第二换能器组7，第二换能器组7产生的超声波穿过第二管段3-2内部流体介质后被第一换能器组1所接收，控制运算部获得逆流渡越时间值，通过假定声道轴线与声道区域中的流体流线完全平行计算得到理想平均流体流速。结合图8，当待测流体在第二管段3-2内流动时，受到第二管段3-2壁面的摩擦和流体的粘性影响，待测流体沿第二管段3-2径向的速度不是均匀分布的，如流速分布线11所示，因此第一声道区域8-1、第七声道区域8-7以及第四声道区域8-4三个声道区域的平均流体流速不相同；另一方面，由于流线在第一管段和第二管段连接处存在流线弯曲13，因此流体流线与声道并不是完全平行的。流体流速的不均匀分布和流线弯曲13的存在会影响本发明装置测量的准确性，解决这个问题的方案是：通过对流体管道进行流体动力学仿真或者标定实验测试，根据声道区域流场流速分布特性获得流场校正系数以修正理想平均流体流速，单一声道区域的实际平均流体流速为理想平均流体流速与流场校正系数的乘积，声道区域实际流量等于实际平均流体流速与声道区域面积的乘积，管道实际总流量为七个声道区域的实际流量之和。以第一声道区域8-1为例说明声道区域流量计算方法，该声道区域的流体流速v1表达式为：

其中X为声道长度，t1为顺流渡越时间，t2为逆流渡越时间，则第一声道区域8-1的流量表达式为：

其中A1是第一声道区域8-1截面面积，k1是第一声道区域流场校正系数，结合流体动力学仿真或者标定实验测试进行确定。

如图9所示，当涉及多相流测量时，多声道式超声流量测量装置可以实现冗余测量功能，当某一声道区域流量测量因为超声波受到固体颗粒或者气泡阻挡导致信号丢失时，该声道区域流量修正值为与其对称的声道区域的理想平均流体流速、当前出错声道的流场校正系数以及声道区域面积三者的乘积。例如，在一次测量中，第二声道区域8-2所测流量为零或者与其他声道区域流量差异很大，根据管道与流场的对称性可知，正常情况下，第二声道区域8-2与第六声道区域8-6的流量值相近，问题原因可能是声道区域8-2中杂质颗粒较多使得超声信号被阻挡、散射以致接收端几乎接收不到超声信号。此时，第二声道区域8-2的流量修正值为第六声道区域8-6所测的理想平均流体流速、第二声道区域8-2流场校正系数以及声道区域面积三者的乘积。

具体实施方式二：结合图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于第一换能器组1安装于第一换能器安装面3-8上，第一换能器安装面3-8是流体管道3的一部分，第二换能器组7安装于第二换能器安装面3-9上，第二换能器安装面3-9是流体管道3的一部分。

Claims (5)

1.一种轴向多声道式超声流量测量装置，包括第一换能器组、流体管道、第二换能器组和控制运算部，其特征在于：所述的流体管道包括第一管段、第二管段、第三管段，第一管段、第二管段以及第三管段顺次连接且导通，第二管段为直管段；

所述的第一换能器组与第二换能器组每组包括多个超声换能器，使得超声流量测量装置包含多个声道，所述的第一换能器组中的超声换能器均匀等距布置，任一换能器到其他换能器距离的最小值相等；第一换能器组与第二换能器组分别位于第二管段两端，并与第二管段内待测流体直接接触，所述的第二管段的两端为第一换能器安装面与第二换能器安装面；第一换能器组固定于第一换能器安装面上，并且与第二管段内流体直接接触；第二换能器组固定于第二换能器安装面上，并且与第二管段内流体直接接触；第一换能器组与第二换能器组中配对的超声换能器所形成的声道轴线与第二管段轴线平行或重合；第二换能器组中的超声换能器个数与第一换能器组中的超声换能器个数相等，且位置一一对应，两两成对布置，多个超声换能器将第二换能器组均匀分成多个声道区域；

所述的第二管段的长度L，超声换能器发射的声波的声束扩散角α，两个相邻的所述超声换能器的中心距m，所述超声换能器的直径n之间需要满足Ltanα<(m-n)；

所述的控制运算部为第一换能器组与第二换能器组中的超声换能器提供激励电信号并对接收电信号进行处理和计算得到总流量；

通过对流体管道进行流体动力学仿真或者标定实验测试，根据声道区域流场流速分布特性获得流场校正系数以修正理想平均流体流速，单一声道区域的实际平均流体流速为理想平均流体流速与流场校正系数的乘积，声道区域实际流量等于实际平均流体流速与声道区域面积的乘积，管道实际总流量为多个声道区域的实际流量之和；

各所述的声道区域的流场校正系数是声道区域的实际平均流体流速与理想平均流体流速的商，实际平均流体流速通过对流体管道的流体动力学仿真或者标定实验测试获得，理想平均流体流速是在假设声道轴线与第二管段内对应声道区域中的流体流线完全平行的条件下计算得到的流体流速。

2.根据权利要求1所述的一种轴向多声道式超声流量测量装置，其特征在于：所述的第二管段的两侧设置第三法兰与第四法兰；第三法兰与第一换能器安装板连接，并使用第一密封件保证密封；第四法兰与第二换能器安装板连接，并使用第二密封件保证密封；第一换能器组固定于第一换能器安装板上，并且与第二管段内流体直接接触；第二换能器组固定于所述第二换能器安装板上，并且与第二管段内流体直接接触。

3.根据权利要求1所述的一种轴向多声道式超声流量测量装置，其特征在于：所述的待测流体为气体或者液体。

4.根据权利要求1所述的一种轴向多声道式超声流量测量装置，其特征在于：所述的待测流体能够是多相流。

5.根据权利要求1所述的一种轴向多声道式超声流量测量装置，其特征在于：当某一所述声道区域接收的超声波信号丢失时，使用与其对称的声道区域的理想平均流速作为该声道区域的理想平均流速。

Images