CN115200658A - 一种带超声波陷阱结构的扁平流道及流量计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带超声波陷阱结构的扁平流道，扁平流道的横截面为长方形，横截面的长度L＞高度H；扁平流道在两个侧壁的上下方向居中位置分别布设有一颗超声波传感器，两颗超声波传感器的轴线在同一条直线上，且轴线与扁平流道的流向夹角为Φ；扁平流道在上下内壁面上沿流向分别布设有多个条状格栅，并与其对应的内壁面共同构成超声波陷阱结构；条状格栅的布设间距d为2λ～5λ，条状格栅的高度

其中，λ为超声波传感器发射的超声波波长，c为介质声速，ΔT为超声波陷阱结构预期带来的延时时间，β为超声波信号入射到陷阱结构的入射角。利用本发明，能够有效解决扁平流道中超声波反射信号与有效目标信号的叠加问题，实现气体流量的精确测量。

Description

一种带超声波陷阱结构的扁平流道及流量计系统

技术领域

本发明涉及计量仪表技术领域，尤其是涉及一种带超声波陷阱结构的扁平流道及流量计系统。

背景技术

由于人们对环境的关注度越来越高，天然气作为清洁环保的绿色能源得到了越来越广泛的关注及应用，天然气行业在未来很长时间内都将得到快速发展。为了适应天然气行业的发展需求，特别是燃气公司对天然气计量及管网输配管理的发展需求，在信息化技术的发展背景下，超声波气体流量计已经逐步在天然气计量及输配管理中发挥越来越大的作用。

目前，国内应用于天然气计量及输配管理的流量计主要为罗茨表和涡轮表，这两种计量仪表均属于机械式计量仪表，难以摆脱机械式仪表固有的弱点，例如，对天然气的质量要求高，容易卡住，维护频繁且维护成本较高，同时随着天然气输送管路口径的增大，两种机械式计量仪表的体积、重量和价格会大幅度攀升，这些弱点严重制约了天然气计量及管网输配管理向着“精确、稳定、智能、高效”的方向发展。

为了克服机械式计量仪表的缺点，现有技术中出现了超声波流量计。当前的流量计流道设计多以截面为圆形的流道为主，也出现了截面为长方形的扁平流道的设计。在通流面积一定的情况下，相较于圆形流道，扁平流道具有更小的定型尺寸，可以限制大涡流的尺寸；同时，在流量一定的情况下，扁平化流道流体的雷诺系数更高，更容易进入紊流区。因此扁平流道有利于流态的稳定。

如公开号为CN105043474A的中国专利文献公开了一种用于超声波流量计的新型流道结构，包括测量流道本体及两个超声波换能器，所述测量流道本体为长方体，所述两个超声波换能器同时设置于所述测量流道本体水平方向上的前侧或者后侧。

公开号为CN110285861A的中国专利文献公开了一种超声波流量计。包括流体腔、超声波传感器和数据和数据采集处理装置；流体腔为贯通的长管，管道两端由圆形的管道向管道中心压缩变形成一个长方形管道；超声波传感器设置于流体腔内的长方形管道侧壁上，且和数据采集处理装置数据连接。

但是，由于超声波信号在常规扁平流道存在信号反射、叠加问题，导致扁平流道在实际的应用中存在信号削弱、畸变等问题，限制了其应用范围。

发明内容

本发明提供了一种带超声波陷阱结构的扁平流道，在流道壁形成对超声波信号实现延迟、衰减及偏移的超声波陷阱结构，能够有效解决超声波信号在常规扁平流道中反射信号与有效的目标信号的叠加问题，有助于流量计系统实现对气体流量的精确测量。

一种带超声波陷阱结构的扁平流道，所述扁平流道的横截面为长方形，横截面的长度L＞高度H；扁平流道在两个侧壁的上下方向居中位置分别布设有一颗超声波传感器，两颗超声波传感器的轴线在同一条直线上，且轴线与扁平流道的流向夹角为Φ；

扁平流道在上下内壁面上沿流向分别布设有多个条状格栅，并与其对应的内壁面共同构成超声波陷阱结构；所述的超声波陷阱结构用于对入射的超声波信号进行多次反射并造成衰减，同时使出射的超声波信号产生纵向位移；

所述条状格栅的布设间距d为2λ～5λ，条状格栅的高度

其中，λ为超声波传感器发射的超声波波长，c为介质声速，ΔT为超声波陷阱结构预期带来的延时时间，β为超声波信号入射到陷阱结构的入射角。

本发明中，信号在陷阱结构内的多次反射会导致信号的幅值衰减和纵向位移，两者都能够减弱最终到达接收端的信号在接收端形成的叠加效应。

优选地，横截面的长度L与高度H的比值不小于3。

理论上Φ≠90°即可，实际应用中，优选地，两颗超声波传感器的轴线与扁平流道的纵向轴线夹角Φ为30°～60°。

实际应用中，优选地，所有条状格栅的高度统一为位于中间位置的条状格栅高度。

优选地，所述条状格栅的厚度t小于超声波传感器发射的超声波波长λ的一半，用于防止超声波信号在条状格栅的顶端发生有效反射而到达接收端的超声波传感器。

或者，将条状格栅顶端设计成能够防止超声波信号经格栅顶部反射后到达接收端传感器的其他形状。

优选地，所述条状格栅的长度贯穿整个扁平流道，其外形采用长方形，或者也可以采用折线形、波浪形等其它形状，只要能够有效遮挡经反射的超声波信号以避免其到达接收传感器即可。

上下内壁的条状格栅之间应为超声波信号传播留出足够的间隙，以免影响超声波信号沿直线路径有效传播。优选地，扁平流道在上下内壁面上布设的条状格栅之间间隔不小于0.6D，即H-2h≥0.6D。

超声波陷阱结构在完成超声波信号的多次反射的同时，还对超声波信号造成衰减，即使波束射出后到达接收端，其强度也会被削弱；并且，还对超声波信号产生纵向位移，即使波束射出后到达接收传感器所在的壁面，也因偏离甚至远离接收传感器有效的接收面而无法与有效的目标信号形成足以影响目标有效信号质量的叠加。

本发明还提供了一种流量计系统，包括测量流道，所述的测量流道由上述带超声波陷阱结构的扁平流道组成；其中，所述的测量流道由一个扁平流道组成，或者由多个扁平流道叠加而成。

所述的流量计系统还包括温度传感器和压力传感器，用于完成气体工况流量到标况流量的转换。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用精心设计的条状格栅与其所在的管道壁形成一个能够对超声波信号实现延迟、衰减及偏移的超声波陷阱结构，有效的改善了超声波信号在扁平管道内的反射叠加问题，同时借助条状格栅的整流作用，使得使用所述扁平管道的超声波流量计能够实现更高的计量性能。

此外，借助扁平流道较小的定型尺寸对流道内涡流尺寸的限制，以降低涡流对超声波信号的影响。再者，条状格栅还具有整流作用，且由于格栅深度较深，单一流道的通流能力增强。

附图说明

图1为本发明中超声波陷阱结构及信号在超声波陷阱结构内的入射、反射及出射示意图；

图2为超声波信号在超声波陷阱结构内的各种入射、反射及出射示意图；

图3为经过有效的超声波陷阱结构之后的超声波叠加原理示意图；

图4为使用超声波陷阱结构的扁平流道对射入其中的超声波信号的延时示意图；

图5为信号在带超声波陷阱结构的扁平流道内发生纵向偏移的示意图；

图6为使用超声波陷阱结构的扁平流道结构及其参数示意图；

图7为三个带有超声波陷阱结构的扁平流道的叠加示意图。

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。

作为理论基础，对使用超声波测量气体流量的原理做简要描述如下：使用超声波测量气体流量的原理为超声波时差法，即利用流体对超声波信号的(顺流)加速、(逆流)减速作用，通过分别测量超声波在顺流及逆流方向传播的时间，继而利用两者差值关系来计算介质流速，最终获得介质流量。也就是说，如何准确的识别超声波信号并精确计算超声波信号传播时间，即为是否能够精确计量的关键。换而言之，所有影响超声波信号稳定传播的因素都将影响计量精度。

本发明中，“超声波陷阱结构”定义为可以使得射入其中的超声波产生一定延时的物理结构。以下分析基于扁平化流道中超声波信号能够在上下壁上形成反射为前提。

如图1所示，当相邻条状格栅深度逐步增大时，相邻的深条状格栅和其所位于的流道壁形成一个凹型结构，在此称为“超声波陷阱结构”。当超声波信号射入所述的超声波陷阱结构时，可以在结构内形成多次反射，对应的增加了传播距离，继而对超声波产生了一定的延时效果。(图1中仅给出了一种示意)

如图2所示，首先假设Φ＝90°以简化说明。根据深条状格栅深度h、格栅间距d及超声波入射角β之间的关系，经反射后的超声波信号可能会返回发射端方向，也可能会继续射向接收端方向。具体关系可归纳如下：

当

时，超声波逃离波陷阱后，继续向接收传感器方向传播；

当

时，超声波逃离波陷阱后继续向发射传感器方向传播。

当h值较小时(即k取值较小时)，超声波信号在相邻格栅之间的反射次数较少，无法形成有效的延时、衰减和偏移，此时仅能够利用的是条状格栅对超声波信号的遮挡作用，而无法达到超声波陷阱的效应。当Φ≠90°，以上原理同样适用。

可见，当条状格栅的位置及深度设置不当，则依旧会有超声波信号向接收传感器方向传播并与沿理想路径到达接收传感器的目标信号产生叠加，若实际应用中对信号叠加特别敏感，则会影响精确计量。

在以下的叙述中，将沿着理想直线路径传播并到达接收传感器、并用于超声波传播时间计算的那一段超声波信号称为“目标信号”。

理论上，可以控制h的高度使其满足让超声波信号逃离所述的超声波陷阱结构后继续向发射传感器方向传播而不朝着接收传感器方向传播。但实际应用中，由于超声波是在波束角范围内呈辐射状发射的，且存在气流扰动，通过结构设计迫使全部的产生反射的超声波信号在逃离超声波陷阱结构后朝发射端方向传播将是不可靠的。

但是，当h值足够大时(即k取值较大)，超声波信号在相邻格栅之间反射次数较多，则可以形成较大的延时、衰减和偏移，则即使有逃离陷阱的超声波信号继续向接收传感器方向传播，也无法与目标信号产生能够影响计量性能的叠加。

基于此，本发明提出对产生反射的超声波信号进行主动延时、衰减及偏移的思路，将经产生反射的超声波信号延时足够长时间，以至于其无法与目标信号波形产生叠加。即：通过调整格栅深度h和格栅间距d，使得超声波在超声波陷阱结构内形成多次反射，相较于沿理想直线路径的信号声程，其对应增加的声程足够长，则对应产生的延时也足够大，则即使超声波逃离陷阱后到达接收端，也无法与目标信号波形产生叠加。此外，经过波陷阱结构之后，超声波信号将由于多次反射而产生幅值衰减和纵向位移，两者都会削弱信号，也会削弱超声波信号的叠加效应。

以下结合图3进行推导说明。如图3所示，f₁(t)为沿着理想路径直接到达接收端传感器SB的超声波信号，f₂(t)为经过所述超声波陷阱结构延时、衰减及偏移后到达接收端传感器SB的超声波信号。t₀是超声波信号沿着理想路径从发射传感器SA传播到接收传感器SB所需要的时间，而Δt为沿着反射路径传播的超声波相较于理想路径所增加的延时时间。(反射路径包括在超声波陷阱结构以外部分和陷阱结构内的部分)。

则对于接收端传感器SB处接收到的信号F(t)，有：

F(t)＝f₁(t)，0≤t≤t₀+Δt …⑴式

F(t)＝f₁(t)+f₂(t)，t≥t₀+Δt …⑵式

通常来说，用于时间计算的目标信号即为f₁(t)所示区域的梭状超声波信号。可见，只要延时Δt足够大，则f₂(t)可以远离目标信号区域，无法与目标信号产生叠加，也就无法影响时间的计量。

基于此，假设构成所述超声波陷阱结构的深条状格栅的深度为h，布放间距为d，对应的超声波传播速度为c，超声波信号入射所述超声波陷阱结构的入射角为β，超声波理想路径与流道纵向轴线(气体流动方向)的夹角为Φ，信号沿着反射路径到达接收端传感器所增加的总的延时时间Δt，其中超声波在陷阱结构内发生了n(n为正整数)次反射带来的时间延时是Δt₁，在反射路径上除超声波陷阱结构以外的路径增加的延时为Δt₂(相较于理想路径增加的延时)，有Δt＝Δt₁+Δt₂。如图4所示。

为简化计算，将不考虑微小误差，则近似计算如下：

信号在波陷阱内的传播距离为L₁，有：

(n为反射次数，n取大于1的正整数)

则有：

(n为反射次数，n取大于1的整数)。

信号在反射路径上，除去超声波陷阱结构内增加的声程，相较于理想路径增加的声程为L₂，有：

则有：

综上有：

(n为大于1的整数)

假设希望的延时时间为ΔT，则当满足Δt≥ΔT时，经反射路径的超声波信号即使到达接收端，也不能与目标信号形成叠加。所述的波陷阱结构能够实现所述的设计目的。

为了在有限的空间内增加构成超声波陷阱的条状格栅的深度，通常在保证目标信号沿理想路径正常传播的情况下尽可能加大格栅深度，即H-2h的值趋向于D。又考虑到扁平流道中L＞＞D，则与Δt₁相比Δt₂足够小。为简化说明，可认为Δt₂≈0。则此时有：

(n为大于1的整数)

此时取Δt＝ΔT，则有：

(n为大于1的整数)

则对应条状格栅的高度h为：

可见，理论上在入射角度β及声速一定的情况下，条状格栅的高度h仅由预期的延时时间ΔT决定。在实际应用中，条状格栅的间距d不宜太小也不宜过大。当d小到接近超声波波长λ甚至比λ还小时，即使不考虑制造工艺的可行性，也会导致陷阱效应减弱甚至失效；当d太大时，能够入射到一个陷阱结构内的超声波的入射角β所包含的范围越宽，波束逃逸的可能性更大；同时在h一定的情况下随着d增大则对应的反射次数减少，也降低了超声波陷阱结构对入射其中的超声波信号的衰减作用。因此，优选的间距d为2λ～5λ，具体的应根据实际的制造工艺、陷阱结构的信号衰减能力及格栅的流态稳定能力等多方面的因素进行综合考虑、选取。

其次，理论上根据陷阱结构所在的位置不同，则对应的入射角β也不同，也就意味着在ΔT一定的情况下，不同位置的格栅高度也不同(因为不同位置下β不同)。结合经验数据，在实际应用中，可将陷阱结构的高度统一为位于上下壁中间位置的陷阱结构高度。

理论上，可以针对性的在特定位置布放超声波陷阱结构即可达到设计目的，在实际应用中，所使用的传感器均为收发一体式传感器，且考虑实际制造工艺以及条状格栅的流态约束效果，在保证预留有足够的信号通道基础上，可以优选的在流道上下壁上连续布放上述波陷阱结构，以达到有效削弱/消除经上下壁反射的信号在到达接收端并与目标信号叠加后对目标信号的影响的目的。

此外，由于传感器轴线与流道纵向轴线夹角Φ的存在且Φ≠90°，则当超声波信号在陷阱结构内多次反射时，还会附加产生信号沿流道纵向的位置偏移。如图5所示，为更直观的说明，假设信号入射到陷阱结构时的水平入射角β为0。则可见，随着发射次数的增加，波束的纵向偏移越大，也就越远离接收传感器。

图6为按照以上设计方法设计的带有波陷阱结构的扁平流道示意图。同样需注意，构成超声波陷阱结构的深条状格栅的顶部宽度应远远小于超声波波长，以防止超声波在格栅顶端形成有效反射；或者将条状格栅顶端设计成其他不能将超声波信号有效反射至接收端的其他形状。

此外注意，深条状格栅的间距d不宜接近甚至小于超声波波长，否则所述波陷阱结构的作用将被削弱甚至无效。

其次，形成波陷阱结构的深条状格栅的长度优选的贯穿整个流道，在对信号形成有效延时、衰减及偏移作用的同时起到流态稳定的作用，但其长度也并非必须贯穿整个流道，只要能够实现对超声波信号产生有效的延时即可。

再者，构成所述超声波陷阱结构的条状格栅形状优选的为平直的长方形条状，但并不仅限于这一种状态，也可以是折线形、波浪形等其他形状，只要能够有效遮挡经反射的超声波信号到达接收传感器即可。

将按照上述扁平流道设计方法设计的扁平流道应用于流量计系统，流道数量可以为一个，也可以为多个，以实现气体介质的工况流量测量；

流量计系统中还包括介质温度及压力的采集，用以完成气体工况流量到标况流量的转换。

如图7所示，为三个带有超声波陷阱结构的扁平流道的叠加示意图。需说明的是，图例中三组传感器轴线平行，实际应用中并不限于此，且三组传感器轴线与流道纵向轴线的夹角也不一定一致。此外，同一个流量计中也可以混合使用不同尺寸的按照上述方法设计的扁平流道。

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)

1.一种带超声波陷阱结构的扁平流道，其特征在于，所述扁平流道的横截面为长方形，横截面的长度L＞高度H；扁平流道在两个侧壁的上下方向居中位置分别布设有一颗超声波传感器，两颗超声波传感器的轴线在同一条直线上，且轴线与扁平流道的流向夹角为Φ；

扁平流道在上下内壁面上沿流向分别布设有多个条状格栅，并与其对应的内壁面共同构成超声波陷阱结构；所述的超声波陷阱结构用于对入射的超声波信号进行多次反射并造成衰减，同时使出射的超声波信号产生纵向位移；

所述条状格栅的布设间距d为2λ～5λ，条状格栅的高度

其中，λ为超声波传感器发射的超声波波长，c为介质声速，ΔT为超声波陷阱结构预期带来的延时时间，β为超声波信号入射到陷阱结构的入射角。

2.根据权利要求1所述的带超声波陷阱结构的扁平流道，其特征在于，横截面的长度L与高度H的比值不小于3。

3.根据权利要求1所述的带超声波陷阱结构的扁平流道，其特征在于，两颗超声波传感器的轴线与扁平流道的纵向轴线夹角Φ为30°～60°。

4.根据权利要求1所述的带超声波陷阱结构的扁平流道，其特征在于，所有条状格栅的高度统一为位于中间位置的条状格栅高度。

5.根据权利要求1所述的带超声波陷阱结构的扁平流道，其特征在于，所述条状格栅的厚度t小于超声波传感器发射的超声波波长λ的一半，用于防止超声波信号在条状格栅的顶端发生有效反射而到达接收端的超声波传感器。

6.根据权利要求1所述的带超声波陷阱结构的扁平流道，其特征在于，所述条状格栅的长度贯穿整个扁平流道，其外形采用长方形、折线形或者波浪形。

7.根据权利要求1所述的带超声波陷阱结构的扁平流道，其特征在于，扁平流道在上下内壁面上布设的条状格栅之间间隔不小于0.6D，即H-2h≥0.6D。

8.一种流量计系统，包括测量流道，其特征在于，所述的测量流道由权利要求1～7任一所述的带超声波陷阱结构的扁平流道组成；其中，所述的测量流道由一个扁平流道组成，或者由多个扁平流道叠加而成。

9.根据权利要求8所述的流量计系统，其特征在于，所述的流量计系统还包括温度传感器和压力传感器，用于完成气体工况流量到标况流量的转换。

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