CN114018349A - 基于超声波的气体流量测量装置、测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波的气体流量测量装置、测量系统及测量方法，包括用于测量超声波在管道内气体中的顺流传播时间和逆流传播时间的多个超声波探头和用于计算管道内气体的横截面平均流速的数据处理终端。本发明基于空压机管道内流场和温度场对声速及其路径的影响分析，引入了流速修正系数和声速修正系数获得准确的横截面平均流速，降低超声波流量计的测量误差，实现空压机气体流量非接触式在线准确测量，本发明提供的方法不干扰管内流场，安装操作简单，易于维护保养，具有良好的可实施性。

Description

基于超声波的气体流量测量装置、测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于流体流量测量技术领域，尤其涉及一种基于超声波的气体流量测量装置、测量系统及测量方法。

背景技术

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

超声波流量计是基于超声波在流动介质中传播的基础上，通过超声波的特性测量相应的物理量，再经过相关的信号处理和数据计算，得到管道内流体流量的仪器。在实际生产生活中，超声波流量计最大的缺点就是测量精度不如孔板流量计和涡轮流量计，但因其量程比宽、易安装维护、能耗低、耐腐蚀、不影响流量特性以及高性价比等特点仍在市场占有一席之地。

目前大部分高精度的超声波流量计都是针对于液体等不可压缩、比容大的流体，在测量计算中经常忽略流体的温度、压力对超声波传递的微小影响，而没有明确针对超声波气体流量的精确测量方案，同样的液体流量测量技术用在气体流量测量时，在测量精度、稳定性以及流场的适应性等方面都存在较大的缺陷。授权公告号为CN202734881U的中国实用新型专利公开了一种超声波流量检测装置,包括测量管,在测量管的管段上布置有用于测量超声波在待测气体中顺流传播时的顺流时间及逆流传播时的逆流时间的超声波换能器组,该超声波换能器组包括呈X型布置在所述管段上的两对超声波换能器,所述的测量管上固连有与测量管上设有超声波换能器组的管段相连通、且供该管段中的待测气体自由扩散的静速容器,在静速管上布置有向静速管中发射并接收超声波以用于测量超声波传播速度的超声波换能器。静速管所处环境如气体组分、温度、压力等因素与测量管的环境因素一致,通过在静速管直接测量超声波的传播速度来消除气体组分、温度、压力等因素的影响。上述专利中需要增设静速管和扩散管，整体结构比较复杂。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于如何降低超声波流量计的测量误差，实现空压机气体流量非接触式在线准确测量。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于超声波的气体流量测量装置，包括用于测量超声波在管道内气体中的顺流传播时间和逆流传播时间的多个超声波探头和用于计算管道内气体的横截面平均流速的数据处理终端，所述数据处理终端采用如下公式计算管道内气体的横截面平均流速：

其中，Q_v为管道内气体的横截面平均流速；π为圆周率；D为管道直径；c为超声波在管道内气体中的传播速度；α为超声波探头安装倾角；

K为流速修正系数，

Kc为声速修正系数，

c₀为340m/s，为一个大气压，15℃空气介质下的声速；c(T,p)为相应温度场、压力场下的平均声速；

Δt为超声波在管道内气体中的顺逆流传播时间差，Δt＝t_a-t_b，t_a为管道内气体的逆流传播时间；t_b为管道内气体的顺流传播时间。

作为进一步改进，通过如下公式计算管道内气体的测量平均流速：

若c远大于v，则通过如下公式计算管道内气体的平均流速：

作为进一步改进，基于信号管内仿真模拟确定所述流速修正系数和所述声速修正系数。

作为进一步改进，所述气体流量测量装置包括两个所述超声波探头，每个所述超声波探头向另一个所述超声波探头发出超声波信号并接收另一个所述超声波探头发出的超声波信号，每个所述超声波探头发出的超声波的传播方向与管道内气体的流向呈锐角夹角。

作为进一步改进，所述超声波探头的信号波采用高斯脉冲调制的正弦波。

作为进一步改进，所述气体流量测量装置还包括无线传输模块，所述超声波探头与所述数据处理终端之间通过所述无线传输模块进行通讯。

本发明还提供另外一个技术方案：一种气体流量测量系统，包括气流管道和所述的气体流量测量装置。

作为进一步改进，所述气流管道包括安装管段、位于所述安装管段的气流输入侧的前置管段以及位于所述安装管段的气流输出侧的后置管段，所述前置管段的长度不小于10D，所述后置管段的长度不小于5D。

作为进一步改进，所述气流管道为空压机的出气管道。

本发明还提供另外一个技术方案：一种气体流量测量系统的气体流量测量方法，包括如下步骤：

(1)提供如上所述的气体流量测量系统；

(2)通过多个超声波探头测量超声波在管道内气体中的顺流传播时间和逆流传播时间，将所述顺流传播时间和所述逆流传播时间发送至所述数据处理终端；

(3)通过所述数据处理终端计算管道内气体的横截面平均流速。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1)本发明公开的基于超声波的气体流量测量装置、测量系统以及测量方法，基于空压机管道内流场和温度场对声速及其路径的影响分析，引入了流速修正系数和声速修正系数获得准确的横截面平均流速，降低超声波流量计的测量误差，实现空压机气体流量非接触式在线准确测量，本发明提供的方法不干扰管内流场，安装操作简单，易于维护保养，具有良好的可实施性；

2)本发明公开的基于超声波的气体流量测量装置、测量系统以及测量方法，通过流动声道的速度修正系数K和声速修正系数Kc，将峰值识别的传播时间差带入式就可以得到较为精准的横截面平均流速。经计算，当空压机出口设定体积流量为9m³/min时，由计算得到的体积流量为9.0268m³/min，相对误差为0.297％；若是不考虑声速修正，而仅考虑速度修正系数进行校正，此时计算得到体积流量为8.098m^3/min，相对误差达到了10.23％。因此，通过对声速进行修正可以在理论上很大程度减少测量误差。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明中基于超声波的气体流量测量装置的组成方框图；

图2为本发明中基于超声波的气体流量测量系统的内部安装示意图；

图3为本发明中基于超声波的气体流量测量系统的外观安装示意图；

图4为本发明中不同初始气体流速下的声速修正系数曲线图；

图5为本发明中不同初始温度下的声速修正系数曲线图。

其中，1、超声波探头；2、数据处理终端；3、无线传输模块；4、气流管道；41、安装管段；42、前置管段；43、后置管段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供作为进一步改进说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

以下为用于说明本发明的一较佳实施例，但不用来限制本发明的范围。

实施例一

参见图1至图5，如其中的图例所示，一种基于超声波的气体流量测量装置，包括用于测量超声波在管道内气体中的顺流传播时间和逆流传播时间的多个超声波探头1和用于计算管道内气体的横截面平均流速的数据处理终端2，上述数据处理终端2采用如下公式计算管道内气体的横截面平均流速：

其中，Q_v为管道内气体的横截面平均流速；π为圆周率；D为管道直径；c为超声波在管道内气体中的传播速度；α为超声波探头安装倾角；

K为流速修正系数，

Kc为声速修正系数，

c0为340m/s，为一个大气压，15℃空气介质下的声速；c(T,p)为相应温度场、压力场下的平均声速；

Δt为超声波在管道内气体中的顺逆流传播时间差，Δt＝t_a-t_b，t_a为管道内气体的逆流传播时间；t_b为管道内气体的顺流传播时间。

本实施例中优选的实施方式，通过如下公式计算管道内气体的测量平均流速：

若c远大于v，则通过如下公式计算管道内气体的平均流速：

本实施例中优选的实施方式，基于信号管内仿真模拟确定上述流速修正系数和上述声速修正系数。

本实施例中优选的实施方式，上述气体流量测量装置包括两个上述超声波探头1，每个上述超声波探头1向另一个上述超声波探头1发出超声波信号并接收另一个上述超声波探头1发出的超声波信号，每个上述超声波探头1发出的超声波的传播方向与管道内气体的流向呈锐角夹角。

本实施例中优选的实施方式，上述超声波探头1的信号波采用高斯脉冲调制的正弦波。

本实施例中优选的实施方式，上述气体流量测量装置还包括无线传输模块3，上述超声波探头1与上述数据处理终端2之间通过上述无线传输模块3进行通讯。

下面介绍一种气体流量测量系统，包括气流管道4和上述的气体流量测量装置。

本实施例中优选的实施方式，气流管道4包括安装管段41、位于上述安装管段41的气流输入侧的前置管段42以及位于上述安装管段41的气流输出侧的后置管段43，上述前置管段42的长度不小于10D，上述后置管段43的长度不小于5D。

本实施例中优选的实施方式，上述气流管道4为空压机的出气管道。

下面介绍一种气体流量测量系统的气体流量测量方法，包括如下步骤：

(1)提供如上上述的气体流量测量系统；

(2)通过多个超声波探头测量超声波在管道内气体中的顺流传播时间和逆流传播时间，将上述顺流传播时间和上述逆流传播时间发送至上述数据处理终端；

(3)通过上述数据处理终端计算管道内气体的横截面平均流速。

气体在管道中流动时，由于实际管道横截面上的流速分布是呈抛物线形态的，传播路径上的流体的线平均速度与管道截面平均速度不等，因此需要对传播路径上的流体的线平均速度进行修正，引入速度修正系数K。超声波在待测流体中的传播速度会影响待测流体的速度的大小，当待测流体周围环境的温度改变时，超声波的波速c的数值往往也会发生较大变化，计算某一时刻管道流体对应温度、压力下的平均声速，进而计算出某一时刻流经管道截面流量。为了便于对该声速偏差进行修正，引入声速修正系数Kc。

下面以CompAir L160空压机出口管道流量测量为例，空压机功率为250kW，输气压力为8.3bar，排气温度为41℃，排气量为9m3/min(1bar、20℃、湿度为0％)，环境温度为20℃。流量计安装位置的前置管段不小于10D，后置管段不小于5D。上文中的两个超声波探头分别为探头A和探头B。

具体包括以下步骤：

1)平均流速：当从探头A发射超声波，在探头B接收到超声波时，其传播时间为：

其中：D为管道直径，α为流量计安装倾角，c为超声波在介质中的传播速度，v为待测流体的平均流速。

当从探头B发射超声波，在探头A接收到超声波时，其传播时间为：

通过以上两式相减进一步计算可得传播的时间差为：

简化得到：

若c远大于v，则可以继续化简得到平均流速：

速度修正系数：式计算结果为超声波传播路径上流体的线平均流速，而实际管道横截面上的流速分布是呈抛物线形态的，传播路径上的流体的线平均速度与管道截面平均速度不等，这就造成了断面流速计算造成的误差，因此，要计算管道实际通过流量，需要对传播路径上的流体的线平均速度进行修正，引入速度修正系数K：

则实际体积流量计算公式为：

3)声速修正系数：超声波在待测流体中的传播速度c会影响待测流体的速度v的大小，当待测流体周围环境的温度改变时，超声波的波速c的数值往往也会发生较大变化。本发明过一个由检验法获得的关于超声波传播速度的一元二次方程式，来计算某一时刻管道流体对应温度、压力下的平均声速，进而计算出某一时刻流经管道截面流量。为了便于对该声速偏差进行修正，引入声速修正系数Kc，用以下式子来描述：

其中：c0为340m/s，为一个大气压，15℃空气介质下的声速；c(T,p)为相应温度场、压力场下的平均声速。

c(T,p)可在流量计后方加设装置检测平均温度、压力，通过模拟得到一个近似的充分发展的温度场和压力场，最后通过声速耦合的二维函数计算得到一个平均声速。此时的体积流量计算公式为：

4)效果评价：通过流动声道的速度修正系数K和声速修正系数Kc，将峰值识别的传播时间差带入式就可以得到较为精准的横截面平均流速。经计算，当空压机出口设定体积流量为9m3/min时，由计算得到的体积流量为9.0268m3/min，相对误差为0.297％；若是不考虑声速修正，而仅考虑速度修正系数进行校正，此时计算得到体积流量为8.098m3/min，相对误差达到了10.23％。因此，通过对声速进行修正可以在理论上很大程度减少测量误差。

5)不同初始流速、温度分布对Kc的影响：图3展示了流量计流域入口不同流速下的声速修正系数，随着流速的增加，流体主体的温度下降的越少，主体的平均声速就相对略大，所以声速修正系数随流速增加呈现递增的趋势，但温度变化并不大，因此声速修正系数变化梯度也不大。图4展示的不同初始温度下的声速修正系数，声速随着初始温度的增加递增，所以声速修正系数呈现递增的趋势，且递增的趋势在减小。

以上为对本发明实施例的描述，通过对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于超声波的气体流量测量装置，包括用于测量超声波在管道内气体中的顺流传播时间和逆流传播时间的多个超声波探头和用于计算管道内气体的横截面平均流速的数据处理终端，其特征在于，所述数据处理终端采用如下公式计算管道内气体的横截面平均流速：

其中，Q_v为管道内气体的横截面平均流速；π为圆周率；D为管道直径；c为超声波在管道内气体中的传播速度；α为超声波探头安装倾角；

K为流速修正系数，

Kc为声速修正系数，

c0为340m/s，为一个大气压，15℃空气介质下的声速；c(T,p)为相应温度场、压力场下的平均声速；

Δt为超声波在管道内气体中的顺逆流传播时间差，Δt＝t_a-t_b，t_a为管道内气体的逆流传播时间；t_b为管道内气体的顺流传播时间。

2.根据权利要求1所述的气体流量测量装置，其特征在于，通过如下公式计算管道内气体的测量平均流速：

若c远大于v，则通过如下公式计算管道内气体的平均流速：

3.根据权利要求1所述的气体流量测量装置，其特征在于，基于信号管内仿真模拟确定所述流速修正系数和所述声速修正系数。

4.根据权利要求1所述的气体流量测量装置，其特征在于，所述气体流量测量装置包括两个所述超声波探头，每个所述超声波探头向另一个所述超声波探头发出超声波信号并接收另一个所述超声波探头发出的超声波信号，每个所述超声波探头发出的超声波的传播方向与管道内气体的流向呈锐角夹角。

5.根据权利要求1所述的气体流量测量装置，其特征在于，所述超声波探头的信号波采用高斯脉冲调制的正弦波。

6.根据权利要求1所述的气体流量测量装置，其特征在于，所述气体流量测量装置还包括无线传输模块，所述超声波探头与所述数据处理终端之间通过所述无线传输模块进行通讯。

7.一种基于超声波的气体流量测量系统，其特征在于，包括气流管道和如权利要求1至6任一所述的气体流量测量装置。

8.根据权利要求7所述的气体流量测量系统，其特征在于，所述气流管道包括安装管段、位于所述安装管段的气流输入侧的前置管段以及位于所述安装管段的气流输出侧的后置管段，所述前置管段的长度不小于10D，所述后置管段的长度不小于5D。

9.根据权利要求7所述的气体流量测量系统，其特征在于，所述气流管道为空压机的出气管道。

10.一种基于超声波的气体流量测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)提供如权利要求7-9任一所述的气体流量测量系统；

(2)通过多个超声波探头测量超声波在管道内气体中的顺流传播时间和逆流传播时间，将所述顺流传播时间和所述逆流传播时间发送至所述数据处理终端；

(3)通过所述数据处理终端计算管道内气体的横截面平均流速。

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