CN110530439A - 一种多声路超声测流管段体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多声路超声测流管段体，属于超声测流技术领域。技术方案是：传感器安装座设置在管段体上，传感器安装孔设置在传感器安装座内，超声传感器设置在传感器安装孔内；多个上游侧超声传感器与多个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成多个超声测量声路，对每个超声测量声路的信号都进行处理，最后得出管段体内的流量值；形成的超声测量声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和。本发明大大减少了超声传感器的数量，更有利于提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种多声路超声测流管段体，包括超声流量计(含液体及气体流量计)、超声水表和超声热量表等，属于超声测流技术领域。
背景技术
目前，超声测流设备主要包括超声水表、超声热量表和超声流量计(含液体及气体流量计)，是通过设置在管段体上的超声传感器相互匹配发射和接收超声信号，实现对管段体内的流量进行测量。为了适应现场复杂的流态工况及追求高精度测量要求，已有技术的唯一的办法就是增加声路的数量，将测量仪表由单声路测量变为多声路测量。由于声路数量与超声传感器的数量的比例关系是1:2，声路数量越多，超声测流设备上所布置的超声传感器也越多。因此，已有技术存在的问题是：为了追求高精度测量，不断的增加有效声路数，这样超声传感器的数量也成比例的增加，由于一个超声测流设备上所布置的超声传感器数量众多，众多的超声传感器均需要布置在同一个管段体上，使得布置超声传感器的管段体本身结构也越来越复杂，加工精度也越来越严格，生产成本越来越高，对于超声测流设备的组装要求也越来越高，难度越来越大；并且声路数量是受管段体的管径限制的，在超声传感器尺寸不变的情况下，如果管段体口径较小，在小口径的测流设备上无法实现更多有效声路的测量。
发明内容
本发明目的是提供一种多声路超声测流管段体，改变超声传感器与声路数的恒定比例关系，实现了同一管段体上有效声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和，大大减少了超声传感器的数量，使得小口径上也可以实现更多声路的测量，解决已有技术存在的上述技术问题。
本发明的技术方案是：
一种多声路超声测流管段体，包含管段体、传感器安装座、超声传感器和传感器安装孔；传感器安装座设置在管段体上，传感器安装孔设置在传感器安装座内，超声传感器设置在传感器安装孔内；超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器；上游侧超声传感器的数量与下游侧超声传感器的数量相等，多个上游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上，多个下游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上；将管段体上每个超声传感器简化为一个点，多个上游侧超声传感器沿管段体圆周顺序用直线连接，形成一个正多边形A；多个下游侧超声传感器也沿管段体圆周顺序连接后也形成一个与正多边形A相同的正多边形B，两个多边形以管段体中心为轴线同轴布置，正多边形A和正多边形B相互平行，以管段体中心轴线为转轴进行旋转，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个上游侧超声传感器匹配，多个上游侧超声传感器与多个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成多个超声测量声路，对每个超声测量声路的信号都进行处理，最后得出管段体内的流量值；形成的超声测量声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和。
本发明的一种实施方式：正多边形A和正多边形B，两个多边形以管段体中心为轴线同轴布置，正多边形A和正多边形B相互平行，以管段体中心轴线为转轴进行旋转。
所述旋转，即：完全相同的正多边形A和正多边形B沿管段体中心轴线平移后，正多边形B相对于正多边形A沿管段体径向进行旋转，该旋转以管段体中心轴线为转轴进行。
旋转分为两种情况：
1、所述正多边形B旋转的距离为正多边形B边长的一半，即：正多边形A的某一点（超声传感器）位于对应的正多边形B两点连线的中线上；这样，形成的所有超声测量声路路径长度相等，便于实际检测和软件处理。
2、所述正多边形B旋转一定角度，正多边形A的某一点（超声传感器）不位于对应的正多边形B两点连线的中线上，形成的所有超声测量声路路径长度不相等。
本发明的另一种实施方式：正多边形A和正多边形B，两个多边形以管段体中心为轴线同轴布置，正多边形A和正多边形B相互平行，完全相同的正多边形A和正多边形B沿管段体中心轴线平移后，不旋转，形成的所有超声测量声路路径长度不相等。
所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用对发方式实现。
所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用通过管段体内壁或反射体进行反射式的方式实现。
所述超声传感器波束宽度即锐角度θ0，是指主波束两侧出现的第一个极小值之间的夹角。其计算公式为：θ0=2arc sin（0.61λ/a）（式中λ为超声波波长，a为圆形压电陶瓷片半径）。
所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用对发方式实现，例如：对发的Z方式。所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用通过管段体内壁或反射体进行反射式的方式实现，例如：反射式的V方式。
本发明的积极效果主要有以下几点：
A：改变了声路数与超声传感器恒定比例关系。实现了同一管段体上有效声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和，对于多声路测流设备成倍地减少了超声传感器数量，进而实现了相对口径较小的管路多声路测量。
B：由于超声传感器布置方法的优化，所形成的各超声测量声路立体、交叉式分布于被测管道中，更全面的捕捉流态畸变，达到相互补偿流速偏移的效果，更加有利于管道中真实的流速分布测量。
C：各声路的声路长度及布置相对于管段体中心轴线对称，可沿管段体中心轴线任意旋转而不影响管道内被测介质流量的测量，有利于测流设备整体结构灵活布置。
本发明的超声传感器布置方法使得超声传感器布置灵活、方便，改变了有效声路数与超声传感器之间恒定的数量比值关系，在保证同样的有效声路数量的情况下，减少了超声传感器数量，解决了因管段体口径限制而布置不了较多声路的难题；同时，本发明的超声传感器布置方法使得各超声测量声路立体、交叉式分布于被测管道中，并且沿管段体轴线是完全对称的，可沿管段体中心轴线任意旋转而不影响管道内被测介质流量的测量，更全面的捕捉流态畸变，达到相互补偿流速偏移的效果，有效地提高了测量精度。
在超声传感器尺寸不变的情况下，如果管段体口径较小（管段体内径小于300mm），采用本发明可以减少超声传感器数量，实现多声路测量；已有技术需要的超声传感器数量众多，无法在小口径管段体上布置。
附图说明
图1为现有技术单声路结构示意图；
图2为现有技术单声路轴向方向观测声路传播示意图；
图3为现有技术多声路结构示意图；
图4为现有技术多声路结构轴向方向观测声路传播示意图；
图5为本发明实施例一结构示意图；
图6为本发明实施例二结构示意图；
图7为本发明实施例二结构剖视图；
图8为本发明实实施例二结构轴向方向观测声路传播示意图；
图9为本发明实施例三结构示意图；
图10为本发明实施例四结构示意图；
图11为本发明实施例五结构示意图；
图12为本发明实施例六结构示意图；
图中：图中：管段体1、超声传感器2、传感器安装座3、传感器安装孔4。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
一种多声路超声测流管段体，包含管段体1、传感器安装座3、超声传感器2和传感器安装孔4；传感器安装座设置在管段体上，传感器安装孔设置在传感器安装座内，超声传感器设置在传感器安装孔内；超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器；上游侧超声传感器的数量与下游侧超声传感器的数量相等，多个上游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上，多个下游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上；将管段体上每个超声传感器简化为一个点，多个上游侧超声传感器沿管段体圆周顺序用直线连接，形成一个正多边形A；多个下游侧超声传感器也沿管段体圆周顺序连接后也形成一个与正多边形A相同的正多边形B，两个多边形以管段体中心为轴线同轴布置，正多边形A和正多边形B相互平行，以管段体中心轴线为转轴进行旋转，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个上游侧超声传感器匹配，多个上游侧超声传感器与多个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成多个超声测量声路，对每个超声测量声路的信号都进行处理，最后得出管段体内的流量值；形成的超声测量声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和。
参照附图，附图1、图2为已有技术的单声路结构示意图；两个传超声感器构成一个测量声路。图3、图4为已有技术多声路测量示意图，声路位于圆管上弦测量，共计4声路，8只超声传感器。已有技术的测量声路数量不可能大于或等于超声传感器数量。
实施例一，参照附图5，12声路，12只超声传感器。
一种多声路超声测流管段体，包含管段体1、传感器安装座3、超声传感器2和传感器安装孔4；传感器安装座为一体式结构。同一径向圆周上的多个传感器安装座为一个整体，整体结构的传感器安装孔设置在传感器安装座内，超声传感器设置在传感器装孔内；超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与多个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与多个上游侧超声传感器匹配，6个上游侧超声传感器与6个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成12个超声测量声路，对12个超声测量声路的信号都进行处理，最后得出管段体内的流量值；形成的超声测量声路数等于该管段体上超声传感器数量总和。
实施例二，参照附图6、图7、图8。12声路，12只超声传感器。
一种多声路超声测流管段体，包含管段体1、传感器安装座3和传感器安装孔4；传感器安装座为与管段体分体独立形式。所有传感器安装座为单独个体并与管段体焊接在一起，传感器安装孔设置在传感器安装座内，超声传感器设置在传感器装孔内；超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与多个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与多个上游侧超声传感器匹配，6个上游侧超声传感器与6个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成12个超声测量声路，对12个超声测量声路的信号都进行处理，最后得出管段体内的流量值；形成的超声测量声路数等于该管段体上超声传感器数量总和。
实施例三，参照附图9。12声路，12只超声传感器。
一种多声路超声测流管段体，包含管段体1、传感器安装座3和传感器安装孔4；结构与实施例一或实施例二相同。
上游侧超声传感器的数量与下游侧超声传感器的数量相等，6个上游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上，6个下游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上；将管段体上每个超声传感器简化为一个点，6个上游侧超声传感器沿管段体圆周顺序用直线连接，形成一个正六边形A；6个下游侧超声传感器也沿管段体圆周顺序连接后也形成一个与正六边形A相同的正六边形B，两个正六边形以管段体中心为轴线同轴布置，正六边形A和正六边形B相互平行，以管段体中心轴线为转轴进行旋转，超声传感器在其波束宽度范围内与两个超声传感器匹配。
当上游侧超声传感器S1作为发射端，分别与对称斜对应的下游侧超声传感器X3和X4进行超声波发射和接收，同理上游侧超声传感器S2和下游侧超声传感器X4和X5；上游侧超声传感器S3和下游侧超声传感器X5和X6，以此类推，S4和X1和X6，S5和X1和X2，S6和X2和X3。同样，当下游侧超声传感器作为发射端上游侧超声传感器作为接收端时，也是同样的收、发顺序。
形成的所有超声测量声路路径长度相等。
实施例四，参照附图10。12声路，12只超声传感器。
一种多声路超声测流管段体，包含管段体1、传感器安装座3和传感器安装孔4；结构与实施例一或实施例二相同。
上游侧超声传感器的数量与下游侧超声传感器的数量相等，六个上游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上，六个下游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上；将管段体上每个超声传感器简化为一个点，六个上游侧超声传感器沿管段体圆周顺序用直线连接，形成一个正六边形A；六个下游侧超声传感器也沿管段体圆周顺序连接后也形成一个与正六边形A相同的正六边形B，两个正六边形以管段体中心为轴线同轴布置，正六边形A和正六边形B相互平行，不以管段体中心轴线为转轴进行旋转，超声传感器分别与另一侧正对应及侧对应的超声传感器构成有效声路。
当上游侧超声传感器S1作为发射端，分别与非对称斜对应的下游侧超声传感器X3和X4（或X4和X5）进行超声波发射和接收，同理上游侧超声传感器S2和下游侧超声传感器X4和X5（或X5和X6）；上游侧超声传感器S3和下游侧超声传感器X5和X6，以此类推，S4和X1和X6，S5和X1和X2，S6和X2和X3。同样，当下游侧超声传感器作为发射端上游侧超声传感器作为接收端时，也是同样的收、发顺序。
形成的所有超声测量声路路径长度不相等。
实施例五，参照附图11。16声路，16只超声传感器。
超声测流设备的管段体上布置16个超声传感器，超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个上游侧超声传感器匹配，八个上游侧超声传感器与八个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成16个超声测量声路数，等于该管段体上超声传感器数量总和。
实施例六，参照附图12。16声路，16只超声传感器，采用V方式发射。
超声测流设备的管段体上布置12个超声传感器，超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个上游侧超声传感器匹配，六个上游侧超声传感器与六个下游侧超声传感器相互匹配，通过管段体内壁反射方式进行发射和接收超声波，形成12个超声测量声路数，等于该管段体上超声传感器数量总和。
Claims (7)
1.一种多声路超声测流管段体，其特征在于：包含管段体（1）、传感器安装座（3）、超声传感器（2）和传感器安装孔（4）；传感器安装座设置在管段体上，传感器安装孔设置在传感器安装座内，超声传感器设置在传感器安装孔内；超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器；上游侧超声传感器的数量与下游侧超声传感器的数量相等，多个上游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上，多个下游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上；将管段体上每个超声传感器简化为一个点，多个上游侧超声传感器沿管段体圆周顺序用直线连接，形成一个正多边形A；多个下游侧超声传感器也沿管段体圆周顺序连接后也形成一个与正多边形A相同的正多边形B，两个多边形以管段体中心为轴线同轴布置，正多边形A和正多边形B相互平行，以管段体中心轴线为转轴进行旋转，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个上游侧超声传感器匹配，多个上游侧超声传感器与多个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成多个超声测量声路，对每个超声测量声路的信号都进行处理，最后得出管段体内的流量值；形成的超声测量声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和。
2.根据权利要求1所述的一种多声路超声测流管段体，其特征在于：正多边形A和正多边形B，两个多边形以管段体中心为轴线同轴布置，正多边形A和正多边形B相互平行，以管段体中心轴线为转轴进行旋转。
3.根据权利要求2所述的一种多声路超声测流管段体，其特征在于：所述正多边形B旋转的距离为正多边形B边长的一半，即：正多边形A的某一点位于对应的正多边形B两点连线的中线上；这样，形成的所有超声测量声路路径长度相等。
4.根据权利要求2所述的一种多声路超声测流管段体，其特征在于：所述正多边形B旋转一定角度，正多边形A的某一点不位于对应的正多边形B两点连线的中线上，形成的所有超声测量声路路径长度不相等。
5.根据权利要求1所述的一种多声路超声测流管段体，其特征在于：正多边形A和正多边形B，两个多边形以管段体中心为轴线同轴布置，正多边形A和正多边形B相互平行，完全相同的正多边形A和正多边形B沿管段体中心轴线平移后，不旋转，形成的所有超声测量声路路径长度不相等。
6.根据权利要求2或5所述的一种多声路超声测流管段体，其特征在于：所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用对发方式实现。
7.根据权利要求2或5所述的一种多声路超声测流管段体，其特征在于：所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用通过管段体内壁或反射体进行反射式的方式实现。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20191203 |