CN114563052A - 一种气体超声流量计 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种气体超声流量计，包括表体、超声换能器对、流量测量模块以及流量计算模块；本发明采用超声波传播时间差法原理，直接测量气体的流速，测量准确度不受介质组分变化的影响，流量计算模块能对管道中的气体温度、压力通过相应传感器进行有效的信号采集，并进行压缩因子计算，最终得出标准状况下的瞬时流量。
Description
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，尤其是涉及一种气体超声流量计。
背景技术
超声流量计作为一种新兴的流量仪表近十几年发展迅速，在大型的水利水电项目及天然气贸易结算领域已有广泛应用，其中时差法超声流量计作为计量仪表应用最多。相比液体超声流量计，气体超声流量测量的精度更难保证，涉及的技术问题更多，这与气体介质的特殊性和流动的复杂性密不可分：气体密度较小，分子间距较大，超声波在传播过程中衰减严重，因此接收信号不易检测。加之气体流动的湍流脉动较大，流动噪声叠加在超声波有用信号上，一方面加剧了传播时间的检测难度，另一方面降低了测量的稳定性。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种气体超声流量计。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种气体超声流量计，包括表体、超声换能器对、流量测量模块以及流量计算模块；所述表体包括矩形体的外壳，所述外壳内设有计量室，所述气体流量体积修正仪与所述计量室连接；所述外壳的前后均设有与所述计量室连通的超声换能器安装口，所述超声换能器安装口处设有封闭所述超声换能器安装口的气体流量盖，所述超声换能器对包括用于产生超声波的发射超声换能器和用于接收超声波信号并转换成电信号的接收超声换能器，所述气体流量盖的内侧固定安装超声换能器；所述外壳的左右分别设有与所述计量室连通的进气口和出气口；所述外壳的上端设有与所述计量室连通的压力传感器安装口，所述压力传感器安装口处固定安装有压力传感器；所述外壳的下端设有与所述计量室连通的温度传感器安装口，所述温度传感器安装口处固定安装有温度传感器；所述流量测量模块与两个超声换能器连接，所述流量测量模块驱动超声换能器、放大超声波信号并进行滤波和运算处理，测量出超声波在管道中传播的顺、逆时间，根据顺、逆时间差计算出管道内的气体流速，然后计算出气体的工况瞬时流量，将瞬时流量、声时、声速、信噪比、增益控制值以及信号使用率等传送到流量计算模块；所述流量计算模块与所述压力传感器、温度传感器连接，完成瞬时流量、温度和压力信号的采集，所述流量计算模块包括被测气体介质组分输入模块，所述流量计算模块计算出被测气体介质的压缩因子，以实现工况累积流量、标况瞬时流量和标况累积流量计算。
作为一种优选的技术方案，所述超声换能器对设有两组，一组为反射型超声换能器对，另一组为直射型超声换能器对，每组超声换能器对均包括有发射超声换能器和接收超声换能器，直射型超声换能器对的发射超声换能器发出的超声波对准直射型超声换能器对的接收超声换能器，反射型超声换能器对的发射超声换能器发出的超声波经过计量室壁反射后射入反射型超声换能器对的接收超声换能器。
作为一种优选的技术方案，所述气体超声流量计还包括气体流量体积修正仪，所述流量计算模块设置在所述气体流量体积修正仪内，所述气体流量体积修正仪通过支架固定安装在所述表体的上端，所述支架包括底座和封盖，所述底座紧贴在所述外壳的上端且所述底座罩设在所述压力传感器安装口的外周，所述底座和所述外壳间设有O型圈一，所述封盖压装在所述底座的上端且所述压力传感器插装在所述封盖中，所述压力传感器和所述封盖间设有弹性挡圈，所述封盖通过若干紧定螺钉固定连接在所述外壳上，所述封盖上设有上下贯通的插槽，所述封盖通过所述插槽连接所述压力传感器的插接口和所述气体流量体积修正仪的插接口，所述气体流量体积修正仪的下端通过若干紧定螺钉与所述封盖固定连接，所述气体流量体积修正仪与所述封盖间设有O型圈二。
作为一种优选的技术方案，连接外壳和封盖的紧定螺钉沿封盖的周向均匀设置，压力传感器安装口包括用于卡装压力传感器的圆形孔部。
作为一种优选的技术方案，所述气体超声流量计还包括物联网远传模块和蓝牙模块，所述气体超声流量计通过所述物联网远传模块连接后台服务器，以实现远程数据采集和故障诊断，所述气体超声流量计通过所述蓝牙模块连接手机终端，以实现数据查询和相关参数的设置。
作为一种优选的技术方案，所述气体超声流量计还包括前直管段和后直管段，所述前直管段与所述进气口连接，所述后直管段与所述出气口连接，所述前直管段、后直管段的轴线与所述计量室的中心轴重合。
作为一种优选的技术方案，所述气体超声流量计还包括流动调整器，所述流动调整器安装在前直管段内。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
本发明的气体超声流量计，采用超声波传播时间差法原理，直接测量气体的流速，测量准确度不受介质组分变化的影响，流量计算模块能对管道中的气体温度、压力通过相应传感器进行有效的信号采集，并进行压缩因子计算，最终得出标准状况下的瞬时流量；采用两声道的测量，有效地减小因流场分布不均匀对测量结果的不确定性影响，从而提高仪表的稳定性和可靠性；根据现场安装使用条件的要求，气体流量体积修正仪可进行旋转调整角度；集成了物联网模块，模块化设计，集成多种物联网模块驱动，可根据用户需求或现场信号条件，随时更换电信/移动的NB-IOT、4G等物联网模块，通过物联网接口，可方便的实现远程抄表、充值、调价、监控、报警等功能。
附图说明
图1为气体超声流量计的结构示意图；
图2为超声换能器对在计量室中的布置结构图；
图3为气体超声流量计的安装结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
如图1-3所示， 一种气体超声流量计，包括表体1、超声换能器对、流量测量模块2和流量计算模块。本实施例中，流量计算模块设置在气体流量体积修正仪3中，流量计算模块包括信号采集电路和微控制器，进行运算处理、显示、储存记录测量结果。
所述表体1包括矩形体的外壳101，所述外壳101内设有计量室102，所述气体流量体积修正仪3与所述计量室102连接。
所述外壳101的前后均设有与所述计量室102连通的超声换能器安装口1011，所述超声换能器安装口1011处设有封闭所述超声换能器安装口1011的气体流量盖4。
所述超声换能器对包括用于产生超声波的发射超声换能器5和用于接收超声波信号并转换成电信号的接收超声换能器6，所述气体流量盖4的内侧固定安装超声换能器。
所述外壳101的左右分别设有与所述计量室102连通的进气口1012和出气口。所述外壳101的上端设有与所述计量室102连通的压力传感器安装口1013，所述压力传感器安装口1013处固定安装有压力传感器7。
所述外壳101的下端设有与所述计量室102连通的温度传感器安装口，所述温度传感器安装口处固定安装有温度传感器8。
所述气体流量体积修正仪3通过支架固定安装在所述表体1的上端。所述支架包括底座10和封盖11。
所述底座10呈上下贯通的锥台型，所述底座10紧贴在所述外壳101的上端且所述底座10罩设在所述压力传感器安装口1013的外周，所述底座10和所述外壳101间设有O型圈一12。所述封盖11的纵截面呈T字形，所述封盖11压装在所述底座10的上端且所述压力传感器7插装在所述封盖11中，所述压力传感器7和所述封盖11间设有弹性挡圈13。
所述封盖11通过若干紧定螺钉固定连接在所述外壳101上。所述封盖11上设有上下贯通的插槽，所述封盖11通过所述插槽连接所述压力传感器7的插接口和所述气体流量体积修正仪3的插接口。所述气体流量体积修正仪3的下端通过若干紧定螺钉与所述封盖11固定连接，所述气体流量体积修正仪3与所述封盖11间设有O型圈二14。
特别地，连接外壳101和封盖11的紧定螺钉沿封盖11的周向均匀设置，压力传感器安装口1013包括用于卡装压力传感器7的圆形孔部，故压力传感器7可相对于外壳转动，封盖11与压力传感器7相对固定，也可相对于外壳101转动，因此，根据现场安装使用条件的要求，气体流量体积修正仪3可进行旋转调整角度。
所述计量室102为圆柱形，所述计量室102的两端分别对准所述进气口1012、出气口。所述超声换能器对设有两组，一组为反射型超声换能器对，另一组为直射型超声换能器对。每组超声换能器对均包括有发射超声换能器5和接收超声换能器6。直射型超声换能器对的发射超声换能器5发出的超声波对准直射型超声换能器对的接收超声换能器6，反射型超声换能器对的发射超声换能器5发出的超声波经过计量室壁反射后射入反射型超声换能器对的接收超声换能器6。流体在管道中传输时的流速分布并不均匀，单个声道所测的流速并不能充分反映出管道内的流体流速，而本实施例采用双声道流量计，通过测量每个声道所在位置的线流速，然后通过数据融合的方式将这些线流速进行融合，求得管道中的流体流速，有效地减小因流场分布不均匀对测量结果的不确定性影响，从而提高仪表的稳定性和可靠性，因此测量精度更高。
气体流量体积修正仪3包括外接电源正极接口、外接电源负极接口、RS485接口A、RS485接口B、脉冲信号接口、脉冲输出接口、接地接口。气体流量体积修正仪3具有RS485串口通讯(支持MODBUS协议)接口，可通过上位机软件对流量计进行参数设置等操作。气体流量体积修正仪3具有脉冲输出信号功能，可用于流量计检定和连接IC卡控制器。所述气体超声流量计还包括物联网远传模块、蓝牙模块、显示屏和操作按键，所述气体超声流量计通过所述物联网远传模块连接后台服务器，以实现远程数据采集和故障诊断，所述气体超声流量计通过所述蓝牙模块连接手机终端，以实现数据查询和相关参数的设置。其中，物联网远传模块为NB-IOT/4G模块。
所述流量测量模块2与各超声换能器连接，所述流量测量模块2驱动超声换能器、放大超声波信号并进行滤波和运算处理，测量出超声波在管道中传播的顺、逆时间，根据顺、逆时间差计算出管道内的气体流速，然后计算出气体的工况瞬时流量，将瞬时流量、声时、声速、信噪比、增益控制值以及信号使用率等传送到气体流量体积修正仪3的流量计算模块。
所述流量计算模块与所述压力传感器7、温度传感器8连接，完成瞬时流量、温度和压力信号的采集，所述流量计算模块包括被测气体介质组分输入模块，所述流量计算模块计算出被测气体介质的压缩因子，以实现工况累积流量、标况瞬时流量和标况累积流量计算。流量计算模块对管道中的气体温度、压力通过相应传感器进行有效的信号采集，并依据GB/T 17747.2标准进行压缩因子计算，最终得出标准状况下的瞬时流量。
优选的，所述气体超声流量计还包括前直管段15和后直管段16，所述前直管段15与所述进气口1012连接，所述后直管段16与所述出气口连接，所述前直管段15、后直管段16的轴线与所述计量室102的中心轴重合。为克服安装条件的不利影响，减小由于上游管道配置所带来的测量误差，实现气体超声流量计的准确计量，在流量计上、下游配套使用一定长度的直管段。其目的是使流体通过测量管段获得沿管道中心平行、对称良好的流速分布，在测量点上、下游形成较好的紊流状态，尽可能减小脉动流和扰动流等对测量准确度带来的不良影响。
优选的，所述气体超声流量计还包括流动调整器17，所述流动调整器17安装在前直管段15内。一个充分发展的轴对称流速分布对于获得流量计的准确测量是至关重要的，如果受现场安装环境等因素的限制，在前、后直管段与流量计组成的测量管段内，气体无法获得充分发展的速度分布，特别是对小流量测量有苛刻要求的工艺条件，则需考虑安装流动调整器。本实施例采用多孔板式流动调整器作为配套的整流设备，其安装的方式采用内置于前直管段的方式，减少与管道法兰相配套的垫片。材质采用铝合金或不锈钢。
除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。
Claims (7)
1.一种气体超声流量计，其特征在于，包括表体、超声换能器对、流量测量模块以及流量计算模块；所述表体包括矩形体的外壳，所述外壳内设有计量室，所述气体流量体积修正仪与所述计量室连接；所述外壳的前后均设有与所述计量室连通的超声换能器安装口，所述超声换能器安装口处设有封闭所述超声换能器安装口的气体流量盖，所述超声换能器对包括用于产生超声波的发射超声换能器和用于接收超声波信号并转换成电信号的接收超声换能器，所述气体流量盖的内侧固定安装超声换能器；所述外壳的左右分别设有与所述计量室连通的进气口和出气口；所述外壳的上端设有与所述计量室连通的压力传感器安装口，所述压力传感器安装口处固定安装有压力传感器；所述外壳的下端设有与所述计量室连通的温度传感器安装口，所述温度传感器安装口处固定安装有温度传感器；所述流量测量模块与两个超声换能器连接，所述流量测量模块驱动超声换能器、放大超声波信号并进行滤波和运算处理，测量出超声波在管道中传播的顺、逆时间，根据顺、逆时间差计算出管道内的气体流速，然后计算出气体的工况瞬时流量，将瞬时流量、声时、声速、信噪比、增益控制值以及信号使用率等传送到流量计算模块；所述流量计算模块与所述压力传感器、温度传感器连接，完成瞬时流量、温度和压力信号的采集，所述流量计算模块包括被测气体介质组分输入模块，所述流量计算模块计算出被测气体介质的压缩因子，以实现工况累积流量、标况瞬时流量和标况累积流量计算。
2.根据权利要求1所述的气体超声流量计，其特征在于，所述超声换能器对设有两组，一组为反射型超声换能器对，另一组为直射型超声换能器对，每组超声换能器对均包括有发射超声换能器和接收超声换能器，直射型超声换能器对的发射超声换能器发出的超声波对准直射型超声换能器对的接收超声换能器，反射型超声换能器对的发射超声换能器发出的超声波经过计量室壁反射后射入反射型超声换能器对的接收超声换能器。
3.根据权利要求1所述的气体超声流量计，其特征在于，所述气体超声流量计还包括气体流量体积修正仪，所述流量计算模块设置在所述气体流量体积修正仪内，所述气体流量体积修正仪通过支架固定安装在所述表体的上端，所述支架包括底座和封盖，所述底座紧贴在所述外壳的上端且所述底座罩设在所述压力传感器安装口的外周，所述底座和所述外壳间设有O型圈一，所述封盖压装在所述底座的上端且所述压力传感器插装在所述封盖中，所述压力传感器和所述封盖间设有弹性挡圈，所述封盖通过若干紧定螺钉固定连接在所述外壳上，所述封盖上设有上下贯通的插槽，所述封盖通过所述插槽连接所述压力传感器的插接口和所述气体流量体积修正仪的插接口，所述气体流量体积修正仪的下端通过若干紧定螺钉与所述封盖固定连接，所述气体流量体积修正仪与所述封盖间设有O型圈二。
4.根据权利要求3所述的气体超声流量计，其特征在于，连接外壳和封盖的紧定螺钉沿封盖的周向均匀设置，压力传感器安装口包括用于卡装压力传感器的圆形孔部。
5.根据权利要求1所述的气体超声流量计，其特征在于，所述气体超声流量计还包括物联网远传模块和蓝牙模块，所述气体超声流量计通过所述物联网远传模块连接后台服务器，以实现远程数据采集和故障诊断，所述气体超声流量计通过所述蓝牙模块连接手机终端，以实现数据查询和相关参数的设置。
6.根据权利要求1所述的气体超声流量计，其特征在于，所述气体超声流量计还包括前直管段和后直管段，所述前直管段与所述进气口连接，所述后直管段与所述出气口连接，所述前直管段、后直管段的轴线与所述计量室的中心轴重合。
7.根据权利要求6所述的气体超声流量计，其特征在于，所述气体超声流量计还包括流动调整器，所述流动调整器安装在前直管段内。
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