CN114543909A - 一种内置整流器多声道反射式超声波流量计及流量计算方法 - Google Patents

一种内置整流器多声道反射式超声波流量计及流量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种内置整流器多声道反射式超声波流量计及流量计算方法，包括测量段、设置在测量段入口端的整流器、设置整流器入口端的第一过渡段、以及设置在测量段出口端的第二过渡段；所述的测量段为三层平行布置的扁平状的长方形管道，每一层长方形管道的侧壁上设置有一组超声换能器；所述第一过渡段和第二过渡段均为圆管，圆管的内径为上下游流体管道内径的1.1～1.2倍，长度为上下游流体管道内径的0.2～0.5倍。利用本发明，可以实现超声波的稳定测量，适用于各种安装环境，不需对管网进行改造。

Description

一种内置整流器多声道反射式超声波流量计及流量计算方法
技术领域
本发明属于超声波流量计领域，尤其是涉及一种内置整流器多声道反射式超声波流量计及流量计算方法。
背景技术
超声波气体流量计的理想测量条件是进入流量计的天然气流态应是对称的充分发展的紊流速度分布。上游管路配置(即各种上游管道配件、调压阀以及直管段的长度等)会影响进入流量计的气体速度剖面，从而影响测量准确度，影响的大小和正负在一定程度上与流量计的补偿能力相关。目前市场上普遍应用的超声波流量计主要问题集中在两方面：
一、超声流量计对现场安装环境的要求高
1、为保证在全量程范围内测量性能满足要求，对安装条件引起的测量误差的因素，应按照流量计厂家提供的流量计预期安装条件，推荐流量计上、下游直管段长度，以及安装外置整流器。安装条件不带整流器的情况下通常前十后五或者前五后三直管段，前五后三直管段指超声流量计所处管道直径的5倍和3倍，而前五后三应该是超声流量计标准安装的最低要求。有条件时，前后直管段一定是越长越好，直管段越长流体速度越稳定，所得到的测量结果越精确。
2、安装空间不能达到这个前五后三要求，也就要安装外置整流器。实际上目前市面上的外置整流器还是至少需要前置3D以上的安装空间，且产品造价高。还需要考虑工艺管道前后段的弯头数、弯头的角度，以及阀门的数目，是什么结构的阀门。
以上两种情况都无法做到在超声流量计在狭小安装空间中直接连接弯管的需求。
二、超声波流量计在设计时会受到超声波声长及角度的限制而对安装位置有要求以及流体经过流量计主体对流态的影响往往无法设计成与传统机械流量计一致的长度。造成的影响是超声波流量计主体长度普遍长于传统机械式流量计，不适用于替代目前市场上广泛存在的传统机械流计，对于老表替换位置需要进行现场管网改造，工程造价太高。影响超声波流量计在市场上的推广应用。
公开号为CN206583495U的中国专利文献公开了一种用于气体超声波流量计的内置整流器，可以将气体超声波流量的上游安装直管段长度减少至5D、下游直管段长度减少至3D，极大的改变了超声波流量计的与现场的安装环境要求，但仍不能满足复杂的现场安装环境。
发明内容
本发明提供了一种内置整流器多声道反射式超声波流量计，可以实现超声波的稳定测量，适用于各种安装环境，不需对管网进行改造。
一种内置整流器多声道反射式超声波流量计，包括测量段、设置在测量段入口端的整流器、设置整流器入口端的第一过渡段、以及设置在测量段出口端的第二过渡段；
所述的测量段为多层平行布置的扁平状的长方形管道，每一层长方形管道的侧壁上设置有一组超声换能器；
所述第一过渡段和第二过渡段均为圆管，圆管的内径为上下游流体管道内径的1.1～1.2倍，长度为上下游流体管道内径的0.2～0.5倍。
预选的，所述的测量段为二层至七层平行布置的扁平状的长方形管道。
进一步地，所述的测量段为三层、五层或者七层平行布置的扁平状的长方形管道。
进一步地，所述的整流器上设有多层孔状蜂窝板，层数和测量段的长方形管道一致，每一层孔状蜂窝板的外形尺寸与测量段上对应的长方形管道相匹配。
优选地，每一层孔状蜂窝板上均布有正六边形的蜂窝结构，正六边形的对边长度为3.2～6.4mm。正六边形的蜂窝结构的材料壁厚为0.1～0.2mm。
优选地，每一层孔状蜂窝板的厚度为10～30mm，与长方形管道的高度相匹配。
进一步地，每一层长方形管道上的一组超声换能器同侧安装，包括置于上游的第一超声换能器和置于下游的第二超声换能器，两个超声换能器呈V型反射安装。
优选地，间隔的两层长方形管道的两组超声换能器安装在同一侧，相邻的两层长方形管道的两组超声换能器安装在不同侧。
本发明还提供了一种内置整流器多声道反射式超声波流量的流量计算方法，包括以下步骤：
(1)以测量段的第一层长方形管道为例，一组超声换能器中，第一超声换能器发射出声波经反射平面反射到第二超声换能器，采集声波顺气流方向的传输时间tAB；第二超声换能器发射出声波经反射平面反射到第一超声换能器，采集声波逆气流方向的传输时间tBA；
(2)列出传播时间和流速v的关系式：
Figure BDA0003546990960000031
Figure BDA0003546990960000032
联立后消除声速c，得到流速v的公式如下：
Figure BDA0003546990960000041
式中，L为超声换能器到反射点的距离，α为超声传播方向与水平方向的夹角；
(3)依据上述方法，测得多层长方形管道的多个流体流速vi，i＝1,2,…,k；利用数学的函数关系联合起来，得到管道平均流速的估计值
Figure BDA0003546990960000042
乘以测量段的流道截面积A，即可得到最终的流量q，公式如下：
Figure BDA0003546990960000043
Figure BDA0003546990960000044
式中，k小于或等于长方形管道的层数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、目前市面上超声流量计普遍需要前十后五、前五后三直管段安装需求，本发明直接取消了超声波流量计对于安装环境的前后直管段要求，可直接对接各种进气方向的弯管；适用于各种安装环境，不需对管网进行改造，极大的减小了项目安装成本。
2、本发明缩短超声波流量计主体长度和内置整流器，产品长度和市面上的传统机械表保持一致且对于安装上下游无直管要求，对于市场上大量的传统机械式流量计可以实现无缝替代，为燃气公司安装超声波智能流量计节省工程改造费用。
附图说明
图1为本发明实施例中第一层和第三层长方形管道对应的超声波流量计水平剖视图；
图2为本发明实施例中第二层长方形管道对应的超声波流量计水平剖视图；
图3本发明中超声波流量计的进口侧示意图；
图4为本发明中测量第一层长方形管道流量的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1～3所示，一种内置整流器多声道反射式超声波流量计，包括测量段1、设置在测量段1入口端的整流器2、设置整流器2入口端的第一过渡段3、以及设置在测量段1出口端的第二过渡段4。
测量段1为多层平行布置的扁平状的长方形管道，每一层长方形管道的侧壁上设置有一组超声换能器。
本发明实施例中以三层长方形管道为例，每一层长方形管道的侧壁上设置有一组超声换能器。
第一层和第三层的结构如1所示，第二层的结构如图2所示，可以看出，每一层长方形管道上的一组超声换能器同侧安装，包括置于上游的第一超声换能器5和置于下游的第二超声换能器6，两个超声换能器呈V型反射安装。并且，第一层和第三层长方形管道的两组超声换能器安装在同一侧，第二层长方形管道的一组超声换能器安装在相对的另一侧。
本发明在测量段1的前端设置了整流器2，然后将流道分割为同等均分的三层长方形管道作为测量通道，使流道变窄。与以往的单一流道相比被测流体流速分布更加均匀，可以实现超声波的稳定测量。解决了流态分布变化对测量精度的影响。在实际应用中，面对各种不同安装环境，在狭小的安装空间环境中直接连接弯管，此超声波流量计在测量误差与重复性上均达到较高水平。
如图3所示，可以更直观的看出，间隔的第一层和第三层长方形管道的两组超声换能器安装在同一侧，第二层长方形管道的一组超声换能器安装在相对的另一侧。同时，整流器2的外形尺寸与测量段1的多层测量通道组合的尺寸相同。整流器2上设有三层孔状蜂窝板，每一层孔状蜂窝板的外形尺寸与测量段1上对应的长方形管道相匹配。
每一层孔状蜂窝板上均布有正六边形的蜂窝结构，正六边形的对边长度为3.2～6.4mm。正六边形的蜂窝结构的材料壁厚为0.1～0.2mm。每一层孔状蜂窝板的厚度为10～30mm。
本实施例中，第一过渡段3和第二过渡段4均为圆管，圆管的内径为上下游流体管道内径的1.1～1.2倍，长度为上下游流体管道内径的0.2～0.5倍。
气体超声波流量计计量原理是V型反射超声波时差法，即利用声波在顺流与逆流中传播的时间差来计算流量，V型反射在测量过程中的时间分辨率提升2倍。
如图4所示，以测量段的第一层长方形管道为例，一组超声换能器中，第一超声换能器5发射出声波经反射平面反射到第二超声换能器6，采集声波顺气流方向的传输时间tAB；第二超声换能器6发射出声波经反射平面反射到第一超声换能器1，采集声波逆气流方向的传输时间tBA。
列出传播时间和流速v的关系式：
Figure BDA0003546990960000061
Figure BDA0003546990960000062
联立后消除声速c，可以得到流速v的公式如下：
Figure BDA0003546990960000063
式中，L为超声换能器到反射点的距离，α为超声传播方向与水平方向的夹角；
相应的声速c的计算公式为：
Figure BDA0003546990960000071
依据上述方法，测得多层长方形管道的多个流体流速vi，i＝1,2,…,k；利用数学的函数关系联合起来，得到管道平均流速的估计值
Figure BDA0003546990960000072
乘以测量段的流道截面积A，即可得到最终的流量q，公式如下：
Figure BDA0003546990960000073
Figure BDA0003546990960000074
式中，k小于或等于长方形管道的层数。
本发明中，两个成对的超声换能器工作时可交替作为发射器和接收器。气流的加速和减速效应则导致不同的超声脉冲传播时间，沿着气流方向的脉冲传播时间tAB缩短，逆着气流方向的脉冲传播时间tBA则延长。根据正反向的时间差，可以计算出相应的气流速度，进而计算出气体流量。多个声道的合理布置可保证流量测量基本不受流体剖面的影响。V型反射，在相同的空间测量信号2次贯穿于测量管道，测量更加精准。多声道平均分布，通过前端整流保证流体平均流经测量管道，每一测量管道单独测量。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种内置整流器多声道反射式超声波流量计，其特征在于，包括测量段、设置在测量段入口端的整流器、设置整流器入口端的第一过渡段、以及设置在测量段出口端的第二过渡段；
所述的测量段为多层平行布置的扁平状的长方形管道，每一层长方形管道的侧壁上设置有一组超声换能器；
所述第一过渡段和第二过渡段均为圆管，圆管的内径为上下游流体管道内径的1.1～1.2倍，长度为上下游流体管道内径的0.2～0.5倍。
2.根据权利要求1所述的内置整流器多声道反射式超声波流量计，其特征在于，所述的测量段为二层至七层平行布置的扁平状的长方形管道。
3.根据权利要求1所述的内置整流器多声道反射式超声波流量计，其特征在于，所述的整流器上设有多层孔状蜂窝板，层数和测量段的长方形管道一致，每一层孔状蜂窝板的外形尺寸与测量段上对应的长方形管道相匹配。
4.根据权利要求3所述的内置整流器多声道反射式超声波流量计，其特征在于，每一层孔状蜂窝板上均布有正六边形的蜂窝结构，正六边形的对边长度为3.2～6.4mm。
5.根据权利要求3所述的内置整流器多声道反射式超声波流量计，其特征在于，正六边形的蜂窝结构的材料壁厚为0.1～0.2mm。
6.根据权利要求3所述的内置整流器多声道反射式超声波流量计，其特征在于，每一层孔状蜂窝板的厚度为10～30mm。
7.根据权利要求1所述的内置整流器多声道反射式超声波流量计，其特征在于，每一层长方形管道上的一组超声换能器同侧安装，包括置于上游的第一超声换能器和置于下游的第二超声换能器，两个超声换能器呈V型反射安装。
8.根据权利要求1所述的内置整流器多声道反射式超声波流量计，其特征在于，间隔的两层长方形管道的两组超声换能器安装在同一侧，相邻的两层长方形管道的两组超声换能器安装在不同侧。
9.根据权利要求1～8任一所述的内置整流器多声道反射式超声波流量的流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以测量段的第一层长方形管道为例，一组超声换能器中，第一超声换能器发射出声波经反射平面反射到第二超声换能器，采集声波顺气流方向的传输时间tAB；第二超声换能器发射出声波经反射平面反射到第一超声换能器，采集声波逆气流方向的传输时间tBA；
(2)列出传播时间和流速v的关系式：
Figure FDA0003546990950000021
Figure FDA0003546990950000022
联立后消除声速c，得到流速v的公式如下：
Figure FDA0003546990950000023
式中，L为超声换能器到反射点的距离，α为超声传播方向与水平方向的夹角；
(3)依据上述方法，测得多层长方形管道的多个流体流速vi，i＝1,2,…,k；利用数学的函数关系联合起来，得到管道平均流速的估计值
Figure FDA0003546990950000024
乘以测量段的流道截面积A，即可得到最终的流量q，公式如下：
Figure FDA0003546990950000025
Figure FDA0003546990950000026
式中，k小于或等于长方形管道的层数。
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