CN115307694A - 一种超声计量的流体测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于流量检测技术领域，具体涉及一种超声计量的流体测量方法和系统。超声计量的流体测量系统，包括流道、以及用于获取流道流速的超声波换能器，主流道连接至少两个并联设置的分流道；分流道上至少设置一对超声波换能器；还包括处理器、信号发送与接收单元、声道切换与控制单元，处理器用于根据每个分流道的检测数据，得到流体实际流量。通过将流体流经区域经多个并联设置的分流道分为多个流体流通区域，分别获取每个分流体流通区域的流体流速，即获取的流体流速为完全覆盖流体流经区域的流体流速，因此根据每个流道的流体流速获取流体实际流量，是完全覆盖流体流经区域所得的流体实际流量，提高了测量流体实际流量的精度。

Description

一种超声计量的流体测量方法和系统

技术领域

本发明属于流量检测技术领域，具体涉及一种超声计量的流体测量方法和系统。

背景技术

超声流量测量技术的基本原理是利用超声波在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量，超声波流量计包括超声波换能器，通过将超声波换能器，将超声波信号与流体速度方向成一定角度在流体中传播，根据超声波换能器能够检测测量管道中超声波信号顺逆流的渡越时间得到时间差，根据时间差求得管道内的流体平均流量。

在流量计所测流量范围较小时，流道较窄，单声道超声流量测量即可覆盖流体流经区域，即单声道即可满足较高精度的计量要求。当流量计所测流量范围较大时，需通过增加流道截面积来减少流体的压力损失，此时单一声道无法完全覆盖流体流经区域，即所测量飞行时间差不能真实反映流体的平均流速，存在测量精度不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声计量的流体测量方法和系统，用以解决现有技术在所测流量范围较大时，单一声道无法完全覆盖流体流经区域，导致测量精度不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种超声计量的流体测量方法，包括如下步骤：

1)获取待测流体每个分流道上的至少一对超声波换能器的飞行时间检测数据；所述待测流体至少分成两个分流道；一对超声波换能器之间形成的声道与对应的分流道中的流体流向呈一定角度；

2)通过飞行时间检测数据获取每个分流道的流体流速；

3)根据各个分流道的流体流速，得到流体实际流量。

其有益效果为：通过获取每个分流道的流体流速，即将流体流经区域经多个并联设置的分流道分为多个流体流通区域，分别获取每个分流体流通区域的流体流速，即获取的流体流速为完全覆盖流体流经区域的流体流速，因此根据每个流道的流体流速获取流体实际流量，是完全覆盖流体流经区域所得的流体实际流量，相对于单一声道不能覆盖流体流经区域来说，提高了测量流体实际流量的精度。

进一步地，步骤3)中，得到流体实际流量的方法为：将一个测量周期内各个分流道的流体流速的算术平均值作为实际流体的平均流速，根据平均流速与各个分流道横截面积之和相乘得到流体实际流量。通过先计算实际流体的平均流速，再与各个分流道横截面积之和相乘得到流体实际流量，简化了对每个分流道都需得到实际流量的过程。

进一步地，步骤3)中，得到流体实际流量的方法为：将一个测量周期内各个分流道的流体流速与对应分流道的横截面积相乘，得到各个分流道的流体流量，将各个分流道的流体流量相加得到流体实际流量。通过得到各个分流道的流体流量，将流体流量之和作为流体实际流量，保证了在各个流道横截面积不完全相同的情况下，得到流体实际流量数据的准确性。

进一步地，步骤1)中，在一个检测周期内获取待测流体每个分流道上的至少一对超声波换能器的飞行时间检测数据；其中一个检测周期为一个测量周期。通过在一个检测周期中获得每个分流道内的流体流速，真实反应该检测周期内流体流经区域的流体流速，所以根据一个检测周期内获取的每个分流道内的流体流速得到的流体实际流量，是此检测周期内更加准确的流体实际流量，因此此过程提高了最终流体实际流量数据的精确度。

进一步地，所述待测流体分为两个分流道，步骤1)中在第一检测周期内仅获取待测流体一个分流道上的至少一对超声波换能器的飞行时间检测数据，在第二检测周期内仅获取待测流体另一个分流道上的至少一对超声波换能器的飞行时间检测数据；其中第一检测周期与第二检测周期构成一个测量周期。通过在一个检测周期内仅获取一个分流道下的检测数据，相对于一个检测周期内获取所有分流道下的检测数据来说，降低了测量功耗，并且在下一个检测周期获得另一个分流道下的检测数据，即两个检测周期实现了对流体流经区域的完全覆盖的检测，所以满足了精度的需求，因此根据两个检测周期(即一个测量周期)的两个分流道下的检测数据获取的流体实际流量，解决了单一无法完全覆盖流体流经区域，导致测量精度不高的问题，并通过检测周期间双流道交替测量的方法，降低了测量的功耗，使得此测量功耗和测量精度达到一定的平衡。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种超声计量的流体测量系统，包括通过有待测流体的主流道，所述主流道连接至少两个并联设置的分流道；分流道上至少设置一对超声波换能器，用于获取分流道内流体的飞行时间检测数据；根据每个分流道的飞行时间检测数据，得到流体实际流量；一对超声波换能器之间形成的声道与对应的分流道中的流体流向呈一定角度。

其有益效果为：通过超声波换能器获取每个流道的流体流速，即将流体流经区域经多个并联设置的分流道分为多个流体流通区域，分别获取每个流体流通区域的流体流速，即获取的流体流速为完全覆盖流体流经区域的流体流速，因此根据每个分流道的流体流速得到的流体实际流量，是完全覆盖流体流经区域所得的流体实际流量，相对于单一声道不能覆盖流体流经区域来说，提高了测量流体实际流量的精度。

进一步地，得到流体实际流量的过程为：根据飞行时间检测数据获取每个分流道的流体流速；将一个测量周期内各个分流道的流体流速的算术平均值作为实际流体的平均流速，根据平均流速与各个分流道横截面积之和相乘得到流体实际流量。通过先计算实际流体的平均流速，再与各个分流道横截面积之和相乘得到流体实际流量，简化了对每个分流道都需得到实际流量的过程。

进一步地，得到流体实际流量的过程为：根据飞行时间检测数据获取每个分流道的流体流速；将一个测量周期内各个分流道的流体流速与对应分流道的横截面积相乘，得到各个分流道的流体流量，将各个分流道的流体流量相加得到流体实际流量。通过得到各个分流道的流体流量，将流体流量之和作为流体实际流量，保证了在各个分流道横截面积不完全相同的情况下，得到流体实际流量数据的准确性。

进一步地，在一个检测周期内，每个分流道上的至少一对超声波换能器获取待测流体各个分流道上的飞行时间检测数据；其中一个检测周期为一个测量周期。通过在一个检测周期中获得每个分流道内的流体流速，真实反应该检测周期内流体流经区域的流体流速，所以根据一个检测周期内获取的每个分流道内的流体流速得到的流体实际流量，是此检测周期内更加准确的流体实际流量，因此此过程提高了最终流体实际流量数据的精确度。

进一步地，主流道连接两个并联设置的分流道；在第一检测周期内，仅一个分流道上的至少一对超声波换能器获取该分流道上的飞行时间检测数据，在第二检测周期内，仅另一个分流道上的至少一对超声波换能器获取该分流道上的飞行时间检测数据；其中第一检测周期与第二检测周期构成一个测量周期。通过在一个检测周期内仅获取一个分流道下的检测数据，相对于一个检测周期内获取所有分流道下的检测数据来说，降低了测量功耗，并且在下一个检测周期获得另一个分流道下的检测数据，即两个检测周期实现了对流体流经区域的完全覆盖的检测，所以满足了精度的需求，因此根据两个检测周期(即一个测量周期)的两个分流道下的检测数据获取的流体实际流量，解决了单一无法完全覆盖流体流经区域，导致测量精度不高的问题，并通过检测周期间双流道交替测量的方法，降低了测量的功耗，使得此测量功耗和测量精度达到一定的平衡。

附图说明

图1是本发明的一种超声计量的流体测量方法和系统的超声波测量原理图；

图2是本发明的一种超声计量的流体测量方法和系统的双流道交替测量硬件原理图；

图3是本发明的一种超声计量的流体测量方法和系统的双流道测量流体示意图；

图4是本发明的一种超声计量的流体测量方法和系统的双流道交替测量平均法实际流量示意图。

其中，1、第一对超声波换能器之一；2、第二对超声波换能器之一；3、第三对超声波换能器之一；4、第四对超声波换能器之一；5、第一分流道；6、第二分流道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明的一种超声计量的流体测量系统实施例：

本实施例的超声计量的流体测量系统，包括检测装置以及控制装置，其中检测装置包括覆盖流体流经区域的并联设置的分流道(至少两个并联设置的分流道)，以及每个流道上都设置用于检测流道内流体流速的超声波换能器，如图3，为并联两个分流道时的检测装置示意图，第一分流道5与第二分流道6将主流道分为两个分流道(即流体经主流道后进入两个分流道中)，第一对超声波换能器之一1与其对应的另一第一对超声波换能器、以及第三对超声波换能器之一3与其对应的另一第三对超声波换能器用于检测流经第一分流道的流体流速，第二对超声波换能器之一2与其对应的另一第二对超声波换能器、以及第四对超声波换能器之一4与其对应的另一第四对超声波换能器用于检测流经第二分流道的流体流速，且每一对超声波换能器之间形成的声道与对应的分流道中的流体流向呈一定角度，通过检测每个分流道内的流体流速，获得流体实际流量，实现了完全覆盖流体流经区域的流体测量，保证了测量结果的准确性。

其中，换能器检测原理如图1所示，超声波信号与流体流速方向成一定角度φ(φ不等于90度，即一对超声波换能器之间形成的声道与对应的分流道中的流体流向呈一定角度)在流体中传播时，超声波声速会受到声波信号途径流体(气体或液体)流速的影响，顺着流体流动方向(以下称为“下行”，声速称为“V_d”)射出的超声波声速会增加，飞行时间(t_d)会减小，逆着流体流动方向(以下称为“上行”，声速称为“V_u”)射出的超声波声速会减小，飞行时间(t_u)会增大，使得上行和下行超声波在流体中的飞行时间不同，从而可以根据上行和下行超声波的飞行时间差计算出管道中流体的流速(V_m)，即

其中L为一对换能器之间的超声波传输距离(如图1连接换能器A与换能器B的虚线距离)，进而根据管道横截面积(S)精确计算出流体流量，即Q＝V_m×S。基于此原理，能够准确、真实的测量流体横截面各个区域的流速成为精确计量的关键因素，大流量、大横截面积的流道尤其明显，因此本实施例通过设置完全覆盖流体流经区域的多个并联分流道，实现准确、真实的测量流体横截面各个区域的流速，本实施例具体的流体测量过程为：同时测量过程或交替测量过程。

作为其中一种实施方式，同时测量过程为：

在同一检测周期下，开启每个分流道上的至少一对换能器，分别对每个分流道的流体流速进行测量，若分流道上仅开启一对换能器，则此换能器检测的流体流速结果作为此分流道的流体流速，若分流道上开启不止一对换能器，将每对换能器检测的流速结果进行算术平均后得到的结果作为此分流道的流体流速，获取每个分流道的流体流速V_m-1、V_m-2、…、V_m-n，(n为分流道数)然后对一个测量周期内(测量周期为每个分流道都进行一次流体流速检测的并计算出流速的周期，在同时测量过程中一个测量周期即为一个检测周期)所有分流道的流速求算术平均后以平均流速计算流体实际流量，即

(若n＝2，则

此过程在同一检测周期内，检测了所有流道内的流体流速，并将所有分流道的流体流速进行算术平均，得到实际流体的平均流速，即此过程真实反应该检测周期内流体流经区域的流体流速，得到的是此检测周期内更加准确的实际流体的平均流速，所以基于此准确度更高的实际流体的平均流速，所得的最终流体实际流量更准确，精确度更高。作为其他实施方式，在获取一个测量周期内每个分流道的流体流速后，还可通过先获得每个分流道的流体流量后，再将每个流体流量相加得到流体实际流量，即Q₁＝S₁*V_m-1、Q₂＝S₂*V_m-2、…、Q_n＝S_n*V_m-n(其中Q₁、Q₂、…、Q_n为各个分流道流量值，S₁、S₂、S_n为各个分流道横截面积)，流体实际流量为：Q＝Q₁+Q₂+…+Q_n。

作为另一种实施方式，交替测量过程为：

此过程将待测流体分为两个分流道，如图2是双流道交替测量硬件原理图，硬件装置包括：主控MCU、模拟开关、2对换能器(每个流道上设置一对)、信号发送放大电路、以及信号接收放大电路；整个装置外围电路简单，两个声道共用一套信号发送和接收放大电路，节省硬件成本。主控MCU发射PWM做为换能器的激励信号，先通过声道控制模拟开关切换至声道1(即其中一个分流道上的流速检测装置)测量状态，然后通过换能器控制模拟开关切换测量的上、下行方向，实现换能器A发换能器B收过程与换能器B发换能器A收过程交替进行，接收换能器输出信号经过信号放大后，送入主控MCU，经MCU处理后获得声道1的上、下行绝对飞行时间以及飞行时间差；同理可通过声道控制模拟开关切换至声道2(即另一个分流道上的流速检测装置)测量状态，MCU获取声道2的上、下行绝对飞行时间以及飞行时间差，然后根据上述换能器检测原理得到的流体流速公式计算得出两个声道的流体流速。即上述在两个检测周期内分别得到了两个流道的流体流速，根据此过程获取的流体流速，得到最终实际的流体流量的过程具体为：

在第一个检测周期测量声道1的流体流速V_m-1.1；

在第二个检测周期测量声道2的流体流速V_m-2.1；此时流体实际流量为：

其中S为两个分流道横截面积之和(下同)；作为其他实施方式，流体实际流量可以通过Q＝S₁*V_m-1.1+S₂*V_m-2.1得到，其中S₁为声道1所在分流道的横截面积，S₂为声道2所在分流道的横截面积(下同)；

在第三个检测周期测量声道1的流体流速V_m-1.2；此时流体实际流量为：

作为其他实施方式，流体实际流量可以通过Q＝S₁*V_m-1.2+S₂*V_m-2.1得到；

重复上述步骤进行连续交替测量、滑动平均，持续计算流体实际流量；上述步骤计算流体实际流量如下表所示：

测量周期

1

2

3

4

5

…

2*n

声道1流速

V<sub>m-1.1</sub>

V<sub>m-1.2</sub>

V<sub>m-1.3</sub>

…

声道2流速

V<sub>m-2.1</sub>

V<sub>m-2.2</sub>

…

V<sub>m-2.n</sub>

实际流量

Q1

Q2

Q3

Q4

…

Q(2*n-1)

其中，

作为其他实施方式，Q(2*n-1)＝S₁*V_m-1.n+S₂*V_m-2.n。

即上述过程为每个检测周期内仅开启一个流道上的一对换能器，获取一次该流道上换能器的检测数据，且相邻两个检测周期内开启的换能器所在流道不同，并根据两个相邻检测周期内对应的两个不同流道内的流体流速得到流体实际流量，通过此过程相对于一个检测周期内获取所有流道下的检测数据来说，降低了测量功耗，并且相邻的两个检测周期(即相邻两个检测周期为一个测量周期)实现了对流体流经区域的完全覆盖的检测，所以满足了精度的需求，因此根据两个检测周期的两个分流道下的检测数据获取的流体实际流量，解决了单一无法完全覆盖流体流经区域，导致测量精度不高的问题，并通过检测周期间双流道交替测量的方法，降低了测量的功耗，使得此测量功耗和测量精度达到一定的平衡，即在相对于单声道计量不增加功耗的情况下，确保流量计与双声道计量相当的计量精度。

通过上述交替测量过程得到的流体实际流量如图4。

采用本发明实施例中的测量方法，计算出流体实际流量后，可以继续使用滑动平均法，或者卡尔曼滤波法等对测量结果进一步处理。

本发明的一种超声计量的流体测量方法实施例：

本发明的超声计量的流体测量方法已在一种超声计量的流体测量系统实施例中的流体测量过程部分介绍的足够清楚，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声计量的流体测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)获取待测流体每个分流道上的至少一对超声波换能器的飞行时间检测数据；所述待测流体至少分成两个分流道；一对超声波换能器之间形成的声道与对应的分流道中的流体流向呈一定角度；

2)通过飞行时间检测数据获取每个分流道的流体流速；

3)根据各个分流道的流体流速，得到流体实际流量。

2.根据权利要求1所述的超声计量的流体测量方法，其特征在于，步骤3)中，得到流体实际流量的方法为：将一个测量周期内各个分流道的流体流速的算术平均值作为实际流体的平均流速，根据平均流速与各个分流道横截面积之和相乘得到流体实际流量。

3.根据权利要求1所述的超声计量的流体测量方法，其特征在于，步骤3)中，得到流体实际流量的方法为：将一个测量周期内各个分流道的流体流速与对应分流道的横截面积相乘，得到各个分流道的流体流量，将各个分流道的流体流量相加得到流体实际流量。

4.根据权利要求2或3所述的超声计量的流体测量方法，其特征在于，步骤1)中，在一个检测周期内获取待测流体每个分流道上的至少一对超声波换能器的飞行时间检测数据；其中一个检测周期为一个测量周期。

5.根据权利要求2或3所述的超声计量的流体测量方法，其特征在于，所述待测流体分为两个分流道，步骤1)中在第一检测周期内仅获取待测流体一个分流道上的至少一对超声波换能器的飞行时间检测数据，在第二检测周期内仅获取待测流体另一个分流道上的至少一对超声波换能器的飞行时间检测数据；其中第一检测周期与第二检测周期构成一个测量周期。

6.一种超声计量的流体测量系统，包括通过有待测流体的主流道，其特征在于，所述主流道连接至少两个并联设置的分流道；分流道上至少设置一对超声波换能器，用于获取分流道内流体的飞行时间检测数据；根据每个分流道的飞行时间检测数据，得到流体实际流量；一对超声波换能器之间形成的声道与对应的分流道中的流体流向呈一定角度。

7.根据权利要求6所述的超声计量的流体测量系统，其特征在于，得到流体实际流量的过程为：根据飞行时间检测数据获取每个分流道的流体流速；将一个测量周期内各个分流道的流体流速的算术平均值作为实际流体的平均流速，根据平均流速与各个分流道横截面积之和相乘得到流体实际流量。

8.根据权利要求6所述的超声计量的流体测量系统，其特征在于，得到流体实际流量的过程为：根据飞行时间检测数据获取每个分流道的流体流速；将一个测量周期内各个分流道的流体流速与对应分流道的横截面积相乘，得到各个分流道的流体流量，将各个分流道的流体流量相加得到流体实际流量。

9.根据权利要求7或8所述的超声计量的流体测量系统，其特征在于，在一个检测周期内，每个分流道上的至少一对超声波换能器获取待测流体各个分流道上的飞行时间检测数据；其中一个检测周期为一个测量周期。

10.根据权利要求7或8所述的超声计量的流体测量系统，其特征在于，主流道连接两个并联设置的分流道；在第一检测周期内，仅一个分流道上的至少一对超声波换能器获取该分流道上的飞行时间检测数据，在第二检测周期内，仅另一个分流道上的至少一对超声波换能器获取该分流道上的飞行时间检测数据；其中第一检测周期与第二检测周期构成一个测量周期。

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