CN112305260B - 一种超声风速仪及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种超声风速仪及其测量方法。本发明采用了多个换能器组合的超声波发射站和接收站，降低了超声波被吹偏后丢失信号的概率，能够扩展大口径或高流速下超声风速仪的测量范围。设置包括多个超声换能器的上游超声站和下游超声站，使超声波在大口径测量管或者高流体流速条件下被吹偏时仍然可以被换能器接收到，从而扩展了超声风速仪的流速测量量程。提供了一种设置超声站中的换能器间隔布置的实施方式，在扩展超声风速仪的量程的同时节约了换能器数量。提供了使用本发明提供的超声风速仪进行流速测量的方法，能够扩展超声风速仪的量程，并且能够提高风速测量的精度。

Description

一种超声风速仪及其测量方法
技术领域
本发明属于风速仪技术领域，涉及一种超声风速仪及其测量方法。
背景技术
空气的流速是通风系统的一项基本参数，由于空气密度较小，并且在其流动的过程中存在较强的湍动，因此使得风速测量相对困难。超声风速仪利用超声波在流体的传播速度受到流体流速影响的原理来测量流速，其应用范围广、适用性强、测量精度高、可以广泛地用于包括气体、液体以及固体物质的测量；并且，由于超声波测量无接触、不发热、受介质影响小的特点，超声波风速仪特别适用于高洁净度、高温、高压、非导电、强腐蚀性、易爆和放射性等特殊介质流量的测量。
常见的超声风速仪采用时差法测量流体流速，上游超声波换能器受到激励发射出声波信号，使声波信号顺流地穿过流体到达下游换能器被接收，再激励下游换能器发射声波信号，使声波信号逆流地穿过流体到达，上游换能器；由于流体流动会加速声波顺流传播速度而减慢声波逆流传播速度，因此对超声波顺流和逆流的传播时间差进行检测，通过计算可以获得流体的流速。现有时差式超声风速仪存在的一个技术问题是超声波在传播过程中被流体过度加速或减速，未能到达接收换能器或者只有少部分信号被接收换能器接收，即所谓的超声波“吹偏”现象。超声波吹偏现象限制了超声风速仪的测量范围。在大口径或高流体流速的超声风速仪中，由于声波传播路径长，受流体加速或减速的时间长，声波更容易被吹偏，测量范围受限制的程度更加明显。
发明内容
本发明的目的就是提供一种超声风速仪及其测量方法。一种超声风速仪，包括上游超声站和下游超声站，上游超声站和下游超声站以轴线重合的方式布置于测量管的两端；上游超声站和下游超声站的轴线与测量管的轴线成一大于0°小于90°的夹角；上游超声站和下游超声站各自包括多个超声换能器，超声换能器沿流体流向布置，上游超声站和下游超声站的超声换能器一一对应布置；上游超声站中沿流向的第一超声换能器是超声波发射换能器，下游超声站中沿流向的第一超声换能器是超声波发射换能器。
进一步的，所述上游超声站和下游超声站中的超声换能器间隔布置。
进一步的，所述超声换能器的间距小于超声波抵达接收超声站时的覆盖宽度。
作为优选，所述超声换能器的间距小于超声波抵达接收超声站时覆盖宽度的一半。
进一步的，上游超声站和下游超声站的轴线与测量管的轴线成45°夹角。
用于上述风速仪的一种超声风速测量方法，包括如下步骤：
步骤一：上游超声站中的位于流向上第一个的上游第一换能器发射超声波，穿过测量管中的流体，顺流传播至下游超声站；
步骤二：检测下游超声站中各超声换能器接收到的信号，取强度最大的信号作为后续流量计算的接收信号，接收到最强超声信号的换能器作为下游接收换能器，取上游第一换能器和下游接收换能器之间的路径为超声波的顺流传播路径，发射和接收到超声信号之间的时间为顺流传播时间；
步骤三：完成一次超声波顺流传播过程后，开始一次超声波逆流传播过程，令下游超声站中的位于流向上第一个的下游第一换能器发射超声波，穿过测量管中的流体，逆流传播至上游超声站；
步骤四：检测上游超声站中各超声换能器接收到的信号，取强度最大的信号作为后续流量计算的接收信号，接收到最强超声信号的换能器作为上游接收换能器，取下游第一换能器和上游接收换能器之间的路径为超声波的逆流传播路径，发射和接收到超声信号之间的时间为逆流传播时间；
步骤五：获取顺流和逆流传播时间，以及顺流传播路径和逆流传播路径与测量管管壁的夹角，根据时差法原理，计算测量管内的流体流速。
进一步的，在步骤二和步骤四中取接收到最强超声信号的换能器的中心作为超声波传播路径的终点。
进一步的，在步骤二和步骤四中根据一个或多个换能器接收到的超声波信号强度确定超声波传播路径的终点。
本发明采用了多个换能器组合的超声波发射站和接收站，降低了超声波被吹偏后丢失信号的概率，能够扩展大口径或高流速下超声风速仪的测量范围。设置包括多个超声换能器的上游超声站和下游超声站，使超声波在大口径测量管或者高流体流速条件下被吹偏时仍然可以被换能器接收到，从而扩展了超声风速仪的流速测量量程。提供了一种设置超声站中的换能器间隔布置的实施方式，在扩展超声风速仪的量程的同时节约了换能器数量。提供了使用本发明提供的超声风速仪进行流速测量的方法，能够扩展超声风速仪的量程，并且能够提高风速测量的精度。
附图说明
图1为本发明的一种实施例结构示意图；
图2为本发明的一种超声换能器布置示意图；
图3为本发明涉及的确定超声波传播路径终点的原理图。
具体实施方式
如图1所示,一种超声风速仪，在测量管3的对侧分别设置上游超声站1和下游超声站2，上游超声站1和下游超声站2的轴线重合，并且超声站的轴线与测量管3的轴线倾斜成一大于0°小于90°的夹角；每个超声站至少包含两个超声换能器，超声换能器沿流体流向布置，上游超声站和下游超声站的超声换能器一一对应布置。每个超声站中位于上游第一个的换能器作为超声波发射换能器。
优选地，超声站的轴线与测量管3的轴线之间的夹角为45°，如果夹角过大，超声波更容易被吹偏，而如果夹角过小，超声波的传播路径过长，能量损耗较大。
本发明涉及的超声风速仪，采用时差式测量原理。激励上游超声站1中位于流向上第一个的上游第一换能器11，使其发射超声波，向下游超声站2传播；视被测流体的流速大小，超声波可能被不同程度地吹偏，自上游第一换能器11发射的超声波，可能沿L1和L2或者二者之间的路径传播；如果沿L1路径传播，则最后抵达下游超声站中沿流向上第一个的下游第一换能器21，如果沿L2传播，则最后抵达下游超声站中位于流向上最后一个的下游第二换能器22，实现超声波的顺流传播过程。激励下游第一换能器21，使其发射超声波，向上游超声站1传播；可能沿L1和L3或者二者之间的路径传播，如果沿L1路径传播，则最后抵达上游超声站中位于流向上第一个的上游第一换能器11，如果沿L3传播，则最后抵达上游超声站中位于流向上最后一个的上游第二换能器12，实现超声波的逆流传播过程。
路径L1与管壁夹角为θ1，L2与管壁夹角为θ2，L1与管壁夹角为θ3。若超声波沿路径L1完成顺流传播过程，其传播时间为
Figure BDA0002744680230000041
其中D为管壁的直径，v为测量管3内流体流速，c为超声波在流体中的声速；若超声波沿路径L1完成逆流传播过程，其传播时间为
Figure BDA0002744680230000042
根据时差法原理，超声波传播时间差为
Figure BDA0002744680230000043
考虑到v相对于c是一个小量，可以认为
Figure BDA0002744680230000044
则流体流速为
Figure BDA0002744680230000045
若超声波在顺流传播过程中被吹偏，例如沿路径L2传播，在下游超声站2，可以检测到下游第二换能器22接收到的超声信号最强，则取该信号作为计算流速的基础；此时顺流传播时间为
Figure BDA0002744680230000046
对称地，在逆流传播过程中，超声波将沿路径L3传播至上游超声站1并且被上游第二换能器12接收到最强超声信号，取该信号作为计算流速的基础，此时逆流传播时间为
Figure BDA0002744680230000047
Figure BDA0002744680230000048
根据时差法原理，测量管3中的流体流速为
Figure BDA0002744680230000049
Figure BDA00027446802300000410
考虑到超声波沿路径L1顺流和逆流传播过程可以视为θ2＝θ3＝θ1的过程，因此表达式
Figure BDA00027446802300000411
可以作为本发明通用的流速计算表达式，其中θ2为顺流传播路径与管壁的夹角，θ3为逆流传播路径与管壁的夹角。
所以，本发明涉及的一种超声风速仪的测量方法，包括如下步骤：
步骤一：上游超声站中的位于流向上第一个的上游第一换能器发射超声波，穿过测量管中的流体，顺流传播至下游超声站；
步骤二：检测下游超声站中各超声换能器接收到的信号，取强度最大的信号作为后续流量计算的接收信号，接收到最强超声信号的换能器作为下游接收换能器，取上游第一换能器和下游接收换能器之间的路径为超声波的顺流传播路径，发射和接收到超声信号之间的时间为顺流传播时间；
步骤三：完成一次超声波顺流传播过程后，开始一次超声波逆流传播过程，令下游超声站中的位于流向上第一个的下游第一换能器发射超声波，穿过测量管中的流体，逆流传播至上游超声站；
步骤四：检测上游超声站中各超声换能器接收到的信号，取强度最大的信号作为后续流量计算的接收信号，接收到最强超声信号的换能器作为上游接收换能器，取下游第一换能器和上游接收换能器之间的路径为超声波的逆流传播路径，发射和接收到超声信号之间的时间为逆流传播时间；
步骤五：获取顺流和逆流传播时间，以及顺流传播路径和逆流传播路径与测量管管壁的夹角，根据时差法原理，计算测量管内的流体流速。
可以理解地，在每个超声测量站中设置数目越多的超声换能器，对超声顺流和逆流传播路径的确定越精确，可以更准确地测量流体流速；超声换能器设置的范围沿流向越大，能捕捉到被吹偏超声信号的范围越大，从而流速的测量量程也越大。
参考图2，本发明中上游超声站1和下游超声站2中的超声换能器可以是间隔布置的，只要满足接收换能器4的间距L2小于超声波抵达接收超声站时的覆盖宽度L1，就可以保证接收到超声波信号；超声波接收换能器间隔布置的方式可以在扩展超声风速仪测量范围的同时节约换能器数量。优选地，接收换能器4的间距L2小于超声波抵达接收超声站时的覆盖宽度L1的一半，可以保证接收到的超声波信号质量。
在上述步骤二和步骤四中确定超声波的传播路径时，可以选择发射超声波换能器的中心作为传播路径的起点，选择接收到最强超声波信号的换能器的中心作为传播路径的终点；确定超声波传播路径的起点和终点后，根据结构设计参数可以确定传播路径与管壁的夹角。但是超声波波束的中心不一定与接收换能器的中心重合，用这种方法确定超声波传播路径的终点存在一定误差。一种优选的确定超声波传播路径终点的方法是根据接收换能器接收到的超声信号强度来确定路径终点位置。参考图3，假设在本发明的一种实施例中包含4个接收换能器4，超声波波束5覆盖两个接收换能器4，使两个换能器接收到的超声信号强度分别为I1和I2，根据I1和I2的相对大小，可以确定超声波波束5的中心O的位置，取这个位置作为超声波传播路径的终点位置；I1和I2的相对大小与中心O的位置关系，可以在使用装置之前通过标定过程获得。
在本发明位置关系描述中，出现诸如术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或者位置关系的为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了方便描述实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种超声风速测量方法，其特征在于：上游超声站和下游超声站以轴线重合的方式布置于测量管的两端；上游超声站和下游超声站的轴线与测量管的轴线成一大于0°小于90°的夹角；上游超声站和下游超声站各自包括多个沿流体流向布置的超声换能器，上游超声站和下游超声站的超声换能器一一对应布置；风速测量过程包括如下步骤：
步骤一：上游超声站中的位于流向上第一个的上游第一换能器发射超声波，穿过测量管中的流体，顺流传播至下游超声站；
步骤二：检测下游超声站中各超声换能器接收到的信号，取强度最大的信号作为后续流量计算的接收信号，接收到最强超声信号的换能器作为下游接收换能器，取上游第一换能器和下游接收换能器之间的路径为超声波的顺流传播路径，发射和接收到超声信号之间的时间为顺流传播时间；
步骤三：完成一次超声波顺流传播过程后，开始一次超声波逆流传播过程，令下游超声站中的位于流向上第一个的下游第一换能器发射超声波，穿过测量管中的流体，逆流传播至上游超声站；
步骤四：检测上游超声站中各超声换能器接收到的信号，取强度最大的信号作为后续流量计算的接收信号，接收到最强超声信号的换能器作为上游接收换能器，取下游第一换能器和上游接收换能器之间的路径为超声波的逆流传播路径，发射和接收到超声信号之间的时间为逆流传播时间；
步骤五：获取顺流和逆流传播时间，以及顺流传播路径和逆流传播路径与测量管管壁的夹角，根据时差法原理，计算测量管内的流体流速。
2.如权利要求1所述的一种超声风速测量方法，其特征在于：在步骤二和步骤四中取接收到最强超声信号的换能器的中心作为超声波传播路径的终点。
3.如权利要求1所述的一种超声风速测量方法，其特征在于：在步骤二和步骤四中根据一个或多个换能器接收到的超声波信号强度确定超声波传播路径的终点。
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