CN113514118A - 一种超声波流量计及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波流量计及使用方法，属于流量计技术领域，包括管体、固定座，其特征在于，所述管体底部设置有移动轮，所述管体四周安装有固定座，所述管体一端设有整流器。本发明通过设置的两组移动轮控制流量计在管道中移动，通过固定座将流量计固定在内壁上，实现多段管道中流体流量便捷测量地目的；通过整流器减弱气体管道内流体流场的不对称性，减小流体中的旋涡，以此达到提高换能器测量精度的效果；通过采用超低功耗的微处理器，根据指令控制唤醒及休眠时间测量单元、温度压力传感器等，以此达到流量计低功耗的效果。

Description

一种超声波流量计及使用方法

技术领域

本发明涉及流量计技术领域，具体涉及一种超声波流量计及使用方法。

背景技术

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束的作用以测量流量的仪表，外夹式或者管段式超声波流量仪表是以"速度差法"为原理，测量圆管内流体流量的仪表，根据对信号检测的原理超声流量计可分为时差法、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等，时差法补偿了流速计算中声速随温度变化带来的误差。近些年，国内外大部分流量计均采用时差法原理。

申请号为CN201920605398.X的专利提供了一种高精度超声波流量计，包括超声波流量计本体和超声换能器，所述超声波流量计本体的内壁边缘处开设有第一环形槽，所述第一环形槽内设有第一轴承，且第一轴承的外壁与第一环形槽的槽底固定连接设置，所述第一轴承的内壁固定套接有环形冠齿轮，所述环形冠齿轮的内壁固定连接有横杆，且横杆相向超声波流量计本体内壁的一侧固定连接有刮刀，且刮刀与超声波流量计本体的内壁相抵设置，所述第一环形槽的侧壁开设有放置槽，所述放置槽内设有齿轮，且齿轮与环形冠齿轮相互啮合设置，所述齿轮固定套接有转轴，且转轴的一端贯穿放置槽的侧壁并延伸至超声波流量计本体的外部设置，所述超声波流量计本体的外壁固定设有电机，所述电机的输出端通过联轴器与转轴延伸至外部的一端固定连接设置。

该流量计，通过设有的弧形保护板和弹性伸缩杆，能够对超声换能器进行保护，当有外来物对超声换能器造成撞击时，通过弹性伸缩杆的弹力，能够降低外来物对超声换能器冲击力，从而提高了超声换能器的使用寿命，便于人们的使用。

这种技术方案通过法兰盘安装在两个管道之间，在需要测量管道流体流量时需将管道拆除后将流量计装在两轨道之间，操作复杂；而且流体在管道内的流场变化是随弯曲管道、粗糙壁面条件、管道制造工艺影响及流体流经弯管、阀门、渐缩管、超声波流量计换能器的安装角度位置，对流场产生涡流角及紊流等，使得流场截面内流速不匀，不对称，该技术方案无法对流速不匀，不对称的流体进行准确测量。

由鉴于此，发明一种超声波流量计及使用方法是非常必要的。

发明内容

为全面解决上述问题，尤其是针对现有技术所存在的不足，本发明提供了一种超声波流量计及使用方法能够全面解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术手段：

一种超声波流量计及使用方法，包括管体、固定座，其特征在于，所述管体底部设置有移动轮，所述管体四周安装有固定座，所述管体一端设有整流器。

优选的，所述管体通过固定座嵌套在气体管道内部。

所述移动轮共两组每组两个，所述移动轮内部设有车轮控制器且此控制器为PLC控制器，所述移动轮之间安装有固定座。

优选的，所述整流器最右侧设置有扇形整流部，所述扇形整流部左侧设有空腔部，所述空腔部左侧安装有蜂窝整流部。

优选的，所述固定座上部设有电动伸缩轴，所述电动伸缩轴侧面设有真空泵，所述真空泵上部安装有橡胶吸盘。

优选的，所述扇形整流部内部设置有扇页，所述扇页共十二个且倾斜角度为30°，所述蜂窝整流部内部设置有正六边形蜂窝网。

优选的，所述整流器左侧设有测量段，所述测量段上部设有上游换能器，所述测量段底部设有下游换能器。

优选的，所述上游换能器和下游换能器与管体轴线的夹角为θ且30°≤θ≤60°，所述管体口径为D且40mm≤D≤80mm。

优选的，所述测量段侧面设有数据传输模块，所述数据传输模块为基于wife的无线数据传输模块。

优选的，所述上游换能器和下游换能器与电路板电路连接，所述电路板包括电源系统、外部电源隔离降压电路、内置锂电池、供电切换电路、BOOST电路、LDO电路、电荷泵负压电路、SPDT切换电路、上下游激励接收切换电路、带通滤波电路、二级放大电路、四路比较器电路、施密特触发器整形电路、四路锁存器电路、自适应回波幅值电路、电阻网络电路、温压测量电路。

优选的，所述上游换能器与主控制器电性连接，所述主控制器对时间测量单元、温压力传感器、段式液晶显示模块采用指令控制，主控制器通过使能信号控制含使能端模拟电路元件的使能关断，主控制器通过负载开关芯片控制不含使能端模拟电路元件的使能关断，外部电源隔离降压电路对光耦芯片的RS-485通讯模块、脉冲输出模块供电

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、多段测量，测量方便。本发明在管体底部设置有两组移动轮可控制流量计在管道中移动，根据需要测量多段管道中的流体流量，达到便捷测量的效果。

2、便捷固定。本发明在管体两端四周各设置四组固定座，可将流量计便捷的固定在气体管道的内壁上。

3、测量精度高。本发明通过整流器中扇形整流部、空腔部、蜂窝整流部三个部分来减弱气体管道内的流体流场的不对称性，减小流体中的旋涡，以此达到提高换能器测量精度的效果。

4、低功耗。本发明系统的主控制器采用超低功耗的微处理器，保证了核心系统运行时的低功耗，主控制器对低功耗时间测量单元、温度压力传感器、段式液晶显示模块采用指令控制，根据需要进行唤醒、休眠，保证了这些模块的能耗高效性；对含使能端的电路元件，主控制器通过使能信号控制元件的使能、关断；对不含使能端的电路元件，主控制器通过负载开关芯片对元件的供电进行控制；含有功耗较大的光耦芯片的RS-485通讯模块、脉冲输出模块由于其功能，仅在系统接通外部电源时才工作，这些模块直接由外部电源进行供电。在系统使用电池供电时，这些模块处于关断状态或电流极小，以此达到流量计低功耗的效果。

附图说明

图1是本发明的结构示意图及局部放大图。

图2是本发明的左视图。

图3是本发明的剖视图。

图4是本发明的内部结构示意图。

图5是本发明的整流器结构示意图。

图6是本发明的整流器剖视图。

图7是本发明的整流器内部结构示意图。

图8是本发明的测量段结构示意图及局部放大图。

图9是本发明的流量计使用结构示意图。

图10是本发明的流量计使用结构左视图。

图11是本发明的电路板的电路图。

图12是本发明的低功耗系统流程。

图中：

1、管体；2、移动轮；3、固定座；4、整流器；5、测量段；6、上游换能器；7、下游换能器；8、电路板；9、数据传输模块；10、气体管道；11、主控制器；12、脉冲输出模块；13、RS-485通讯模块；14、段式液晶显示模块；15、温压力传感器；16、时间测量单元；17、含使能端模拟电路元件；18、不含使能端模拟电路元件；31、电动伸缩轴；32、真空泵；33、橡胶吸盘；41、扇形整流部；42、空腔部；43、蜂窝整流部；411、扇页；431、正六边形蜂窝网；80、电源系统；81、外部电源隔离降压电路；82、内置锂电池；83、供电切换电路；84、BOOST电路；85、LDO电路；86、电荷泵负压电路；87、SPDT切换电路；88、上下游激励接收切换电路；89、带通滤波电路；810、二级放大电路；811、四路比较器电路；812、施密特触发器整形电路；813、四路锁存器电路；814、自适应回波幅值电路；815、电阻网络电路；816、温压测量电路；θ、上游换能器和下游换能器与管体(轴线的夹角，30°≤θ≤60°；D、管口直径为，40mm≤θ≤80mm；A-管道横截面积；V-气体介质的流速；q—气体体积流量；c—声速；t_up—声波顺流时间；t_down—声波逆流时间。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

实施例：

如附图1至附图5所示，本发明提供一种超声波流量计及使用方法，包括管体1、固定座3，其特征在于，所述管体1底部设置有移动轮2，所述管体1四周安装有固定座3，所述管体1一端设有整流器4。

如附图9至附图10所示，上述实施方案中，具体的，所述管体1通过固定座3嵌套在气体管道10内部。

如附图1至附图3所示，上述实施方案中，具体的，所述移动轮2共两组每组两个，所述移动轮2内部设有车轮控制器且此控制器为PLC控制器，所述移动轮2之间安装有固定座3。

如附图4至附图5所示，上述实施方案中，具体的，所述整流器4最右侧设置有扇形整流部41，所述扇形整流部41左侧设有空腔部42，所述空腔部42左侧安装有蜂窝整流部43。

如附图1至附图3所示，上述实施方案中，具体的，所述固定座3上部设有电动伸缩轴31，所述电动伸缩轴31侧面设有真空泵32，所述真空泵32上部安装有橡胶吸盘33。

如附图5至附图7所示，上述实施方案中，具体的，所述扇形整流部41内部设置有扇页411，所述扇页411共十二个且倾斜角度为30°，所述蜂窝整流部43内部设置有正六边形蜂窝网431。

如附图1至附图8所示，上述实施方案中，具体的，所述整流器4左侧设有测量段5，所述测量段5上部设有上游换能器6，所述测量段5底部设有下游换能器7。

如附图1至附图5所示，上述实施方案中，具体的，所述上游换能器6和下游换能器7与管体1轴线的夹角为θ，所述管体1口径为D。

如附图1至附图4所示，上述实施方案中，具体的，所述测量段5侧面设有数据传输模块9，所述数据传输模块9为基于wife的无线数据传输模块。

如附图8至附图12所示，上述实施方案中，具体的，所述上游换能器6和下游换能器7与电路板8电路连接，所述电路板8包括电源系统80、外部电源隔离降压电路81、内置锂电池82、供电切换电路83、BOOST电路84、LDO电路85、电荷泵负压电路86、SPDT切换电路87、上下游激励接收切换电路88、带通滤波电路89、二级放大电路810、四路比较器电路811、施密特触发器整形电路812、四路锁存器电路813、自适应回波幅值电路814、电阻网络电路815和温压测量电路816，所述上游换能器6与主控制器11电性连接，所述主控制器11对时间测量单元16、温压力传感器15、段式液晶显示模块14采用指令控制，主控制器11通过使能信号控制含使能端模拟电路元件17的使能关断，主控制器11通过负载开关芯片控制不含使能端模拟电路元件18的使能关断，外部电源隔离降压电路81对光耦芯片的RS-485通讯模块13、脉冲输出模块12供电。

工作原理

在使用时，将管体1放置到气体管道10内部，控制移动轮2启动将管体1移动到气体管道10中要测量的位置后停止移动轮2运动。

接着，启动管体1两端四周各设置四组固定座3，电动伸缩轴31展开，将其顶部的橡胶吸盘33与气体管道10内壁接触，启动真空泵32将橡胶吸盘33内部真空处理，这时管体1与管道10固定在一起。

然后释放流体，流体通过整流器4，经过扇形整流部41内部的扇页411、空腔部42以及蜂窝整流部43内部设置的正六边形蜂窝网431减弱气体管道10内的流体流场的不对称性，减小流体中的旋涡。接着，整流过的流体进入测量段5中通过上游换能器6和下游换能器7采用时差法原理测量计算流体流量。

电路板8由换能器的上下游激励接收切换电路88、带通滤波电路89、自适应回波幅值电路814、温压测量电路816以及电源系统80组成。自适应回波幅值电路814包括可变增益放大电路与多阈值比较电路。其中可变增益放大电路包括电阻网络电路815与二级放大电路810，多阈值比较电路包括四路比较器电路811、施密特触发器整形电路812与四级锁存器电路813。电源系统80包括外部电源隔离降压电路81、内置锂电池82的供电切换电路83、BOOST电路84、LDO电路85、电荷泵负压电路86。流量计主控制器11采用超低功耗的微处理器，保证了核心系统运行时的低功耗，主控制器11对低功耗时间测量单元16、温压力传感器15、段式液晶显示模块14采用指令控制，根据需要进行唤醒、休眠，保证了这些模块的能耗高效性。一部分模拟电路元件在追求信号处理性能的情况下功耗较高，因此需要对模拟电路元件进行控制：对含使能端模拟电路元件17，主控制器11通过使能信号控制元件的使能关断，对不含使能端模拟电路元件18，主控制器11通过负载开关芯片对元件的供电进行控制，含有功耗较大的光耦芯片的RS-485通讯模块13、脉冲输出模块12由于其功能，仅在系统接通外部电源时才工作，这些模块直接由外部电源进行供电。在系统使用电池供电时，这些模块处于关断状态或电流极小。

求解气体体积流量q步骤为：①在每个测量周期，上游换能器6和下游换能器7先后作为激励源。顺流时间t_up与逆流时间t_down可由式(1)、(2)表示：

②联立式(1)、(2)消去声速c，得到流速v关于t_up和t_down的关系式如式(3)：

③求得气体体积流量q的表达式如(4)：

式中，A—管道横截面积；V—气体介质的流速；q—气体体积流量；D—气体管道口直径；c—声速；θ—上游换能器和下游换能器与气体管道轴线的夹角；

t_up—声波顺流时间；t_down—声波逆流时间。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或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。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波流量计及使用方法，包括管体(1)、固定座(3)，其特征在于，所述管体(1)底部设置有移动轮(2)，所述管体(1)四周安装有固定座(3)，所述管体(1)一端设有整流器(4)。

2.根据权利要求1所述的一种超声波流量计及使用方法，其特征在于，所述管体(1)通过固定座(3)嵌套在气体管道(10)内部。

3.根据权利要求1所述的一种超声波流量计及使用方法，其特征在于，所述移动轮(2)共两组每组两个，所述移动轮(2)内部设有车轮控制器且此控制器为PLC控制器，所述移动轮(2)之间安装有固定座(3)。

4.根据权利要求1所述的一种超声波流量计及使用方法，其特征在于，所述整流器(4)最右侧设置有扇形整流部(41)，所述扇形整流部(41)左侧设有空腔部(42)，所述空腔部(42)左侧安装有蜂窝整流部(43)。

5.根据权利要求2所述的一种超声波流量计及使用方法，其特征在于，所述固定座(3)上部设有电动伸缩轴(31)，所述电动伸缩轴(31)侧面设有真空泵(32)，所述真空泵(32)上部安装有橡胶吸盘(33)。

6.根据权利要求4所述的一种超声波流量计及使用方法，其特征在于，所述扇形整流部(41)内部设置有扇页(411)，所述扇页(411)共十二个且倾斜角度为30°，所述蜂窝整流部(43)内部设置有正六边形蜂窝网(431)。

7.根据权利要求4所述的一种超声波流量计及使用方法，其特征在于，所述整流器(4)左侧设有测量段(5)，所述测量段(5)上部设有上游换能器(6)，所述测量段(5)底部设有下游换能器(7)。

8.根据权利要求7所述的一种超声波流量计及使用方法，其特征在于，所述上游换能器(6)和下游换能器(7)与管体(1)轴线的夹角为θ且30°≤θ≤60°，所述管体(1)口径为D且40mm≤D≤80mm。

所述上游换能器(6)和下游换能器(7)与电路板(8)电性连接，所述电路板(8)包括电源系统(80)、外部电源隔离降压电路(81)、内置锂电池(82)、供电切换电路(83)、BOOST电路(84)、LDO电路(85)、电荷泵负压电路(86)、SPDT切换电路(87)、上下游激励接收切换电路(88)、带通滤波电路(89)、二级放大电路(810)、四路比较器电路(811)、施密特触发器整形电路(812)、四路锁存器电路(813)、自适应回波幅值电路(814)、电阻网络电路(815)和温压测量电路(816)。

所述上游换能器(6)与主控制器(11)电性连接，所述主控制器(11)对时间测量单元(16、温压力传感器(15、段式液晶显示模块(14)采用指令控制，主控制器(11)通过使能信号控制含使能端模拟电路元件(17)的使能关断，主控制器(11)通过负载开关芯片控制不含使能端模拟电路元件(18)的使能关断，外部电源隔离降压电路(81)对光耦芯片的RS-485通讯模块(13)、脉冲输出模块(12)供电。

9.根据权利要求7所述的一种超声波流量计及使用方法，其特征在于，所述测量段(5)侧面设有数据传输模块(9)，所述数据传输模块(9)为基于wife的无线数据传输模块。

10.一种超声波流量计使用方法，其特征在于，求解气体体积流量q步骤为：①在每个测量周期，上游换能器(6)和下游换能器(7)先后作为激励源。顺流时间t_up与逆流时间t_down可由式(1)、(2)表示：

②联立式(1)、(2)消去声速c，得到流速v关于t_up和t_down的关系式如式(3)：

③求得气体体积流量q的表达式如(4)：

式中，A—管道横截面积；V—气体介质的流速；q—气体体积流量；D—气体管道口直径；c—声速；θ—上游换能器和下游换能器与气体管道轴线的夹角；

t_up—声波顺流时间；t_down—声波逆流时间。

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