CN116989857A - 带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计及测量方法 - Google Patents

带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计及测量方法 Download PDF

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CN116989857A CN202310681079.8A CN202310681079A CN116989857A CN 116989857 A CN116989857 A CN 116989857A CN 202310681079 A CN202310681079 A CN 202310681079A CN 116989857 A CN116989857 A CN 116989857A
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李文才
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刘伟庭
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Abstract

本发明公开了带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计及测量方法。上夹钳模块底部和下夹钳模块顶部之间通过连接轴连接，上夹钳模块和下夹钳模块均开设有限位槽，两个限位槽组成管道槽，液体管道被夹持在管道槽中，第一声阻抗匹配层被设置于第一超声波换能器与液体管道之间，第二声阻抗匹配层被设置于第二超声波换能器、第三超声波换能器与液体管道之间；方法包括根据超声波换能器接收信号强度判断是否有气泡，利用时差法或多普勒法测得液体管道中液体速度，对气泡产生的误差进行修正，得到正确的液体流量。本发明的超声波流量计适应于液体单相流和气液两相流，对气液两相流下的液体流量进行补偿，使流量测量结果更加精确。

Description

带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计及测量方法
技术领域
本发明属于超声波液体流量测量技术的一种超声波流量计及方法，尤其是涉及了一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计及测量方法。
背景技术
目前在超声波液体流量计量领域，采用时差法的外夹式超声波液体流量计已经取得广泛应用，但是还存在以下问题：某些工况下所测液体中会出现气泡或空腔，超声波换能器接收到的超声波信号强度明显减弱，超声波信号的信噪比劣化，从而使液体流量的测定精度降低。现有的一些解决方案通常采用滤波等信号处理或附加传感器来识别和排除气泡的影响，但这些方法复杂度较高，且存在一定的局限性。多普勒方法虽然可以方便地测量气液两相流的流速，但是不能测量气泡或空腔的大小以对液体流量计进行相应的补偿。因此，现有技术缺少一种简化的、具有气泡检测和流量修正功能的超声波流量计，以提高流量测量的准确性和稳定性。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于设计带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计及测量方法。
本发明技术方案如下：
一、一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计：
流量计包括上夹钳模块、下夹钳模块和连接轴；上夹钳模块位于下夹钳模块之上，上夹钳模块底部的后端和下夹钳模块顶部的后端之间通过连接轴可活动地连接，上夹钳模块可沿着连接轴的轴线旋转地安装在下夹钳模块上，上夹钳模块底部的前端和下夹钳模块顶部的前端之间通过螺栓可活动地连接；上夹钳模块底部的中间和下夹钳模块顶部的中间均开设有条形限位槽，两个条形限位槽共同组成了柱状管道槽，待测流量的液体管道被夹持在上夹钳模块和下夹钳模块之间的柱状管道槽处；上夹钳模块和下夹钳模块中均设有与外部的数控系统连接的射频同轴接头。
所述的下夹钳模块包括下夹钳外壳、第一声阻抗匹配层、第一超声波换能器、第一引线和第一射频同轴接头；下夹钳外壳上部的中间开设有第一卡槽，第一声阻抗匹配层放置在下夹钳外壳的第一卡槽中，下夹钳外壳顶部的两侧均开设有横截面为半圆形的第一条形槽，下夹钳外壳下部的一侧开设有第一L形孔，第一L形孔与第一卡槽连通且第一L形孔位于第一卡槽下侧，第一超声波换能器和第一射频同轴接头分别设置在第一L形孔的里端和外端，第一超声波换能器和第一射频同轴接头之间通过第一引线连接；第一射频同轴接头通过射频连接线与外部的数控系统连接；
所述的第一声阻抗匹配层的上表面为弧面，第一声阻抗匹配层上表面左、右两侧的边分别高于两个第一条形槽里侧的弧线边，第一超声波换能器和第一声阻抗匹配层的下表面接触，将第一声阻抗匹配层的下表面中与第一超声波换能器接触的侧面作为第一标准侧面，第一标准侧面和第一超声波换能器的倾斜角度相同。
所述的上夹钳模块包括上夹钳外壳、第二声阻抗匹配层、第二超声波换能器、第三超声波换能器、第二引线、第三引线、第二射频同轴接头和第三射频同轴接头；上夹钳外壳下部的中间开设有第二卡槽，第二声阻抗匹配层放置在上夹钳外壳的第二卡槽中，上夹钳外壳底部的两侧均开设有横截面为半圆形的第二条形槽，上夹钳外壳上部的两侧分别开设有第二L形孔和第三L形孔，第二L形孔和第三L形孔的里侧分别与第二卡槽的左、右两侧连通，且第二L形孔和第三L形孔均位于第二卡槽上侧，第二超声波换能器和第二射频同轴接头分别设置在第二L形孔的里端和外端，第三超声波换能器和第三射频同轴接头分别设置在第三L形孔的里端和外端，第二超声波换能器和第二射频同轴接头之间通过第二引线连接，第三超声波换能器和第三射频同轴接头之间通过第三引线连接；第二射频同轴接头和第三射频同轴接头分别通过射频连接线分别与外部的数控系统连接；
所述的第二声阻抗匹配层的下表面为弧面，第二声阻抗匹配层下表面左、右两侧的边分别高于两个第二条形槽里侧的弧线边，第二超声波换能器和第三超声波换能器分别与第二声阻抗匹配层上表面的左、右两侧接触，将第二声阻抗匹配层的上表面中与第二超声波换能器接触的侧面作为第二标准侧面，将第二声阻抗匹配层的上表面中与第三超声波换能器接触的侧面作为第三标准侧面，第二标准侧面和第三标准侧面的倾斜角度分别与第二超声波换能器和第三超声波换能器的倾斜角度相同。
所述第一超声波换能器、第二超声波换能器和第三超声波换能器均为柱体结构，第一超声波换能器的圆形平面和水平面之间的夹角为第一典型角度γ，第二超声波换能器的圆形平面和水平面之间的夹角为第二典型角度α，第三超声波换能器的圆形平面和水平面之间的夹角为第三典型角度β。
所述第一条形槽横截面的半径、第二条形槽横截面的半径均等于待测液体管道的半径；下夹钳模块中的第一条形槽与上夹钳模块中的第一条形槽的数量和排布位置分布相同且槽口对齐，使得液体管道的一端设置在一个第一条形槽和一个第二条形槽之间，液体管道的另一端设置在另一个第一条形槽和另一个第二条形槽之间，液体管道的中部被夹持在第一声阻抗匹配层的上表面和第二声阻抗匹配层的下表面之间。
所述的第一典型角度γ的范围为30°～40°；所述第二典型角度α的范围为20°～40°；所述第三典型角度β的范围为30°～60°。
所述的第一超声波换能器、第二超声波换能器和第三超声波换能器采用压电陶瓷制成。
二、一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、首先上夹钳模块和下夹钳模块将待测的液体管道夹紧，利用数控系统实时采集第一超声波换能器、第二超声波换能器和第三超声波换能器中输出电信号的信号幅值：
若t时刻的第三超声波换能器的信号幅值不低于预设的强度阈值，则认为t时刻液体管道中没有气泡出现，转至步骤S2获得t时刻液体管道中液体的流量Q；
若t时刻的第三超声波换能器的信号幅值低于预设的强度阈值，则认为t时刻液体管道中出现气泡，转至步骤S3获得t时刻液体管道中液体的流量Q；
步骤S2、t时刻液体管道中液体的流量Q按照以下公式处理得到：
Q＝πd2v1/4
其中，d为液体管道的内径，v1为流量计利用时差法测得的流速；
步骤S3：利用第二超声波换能器对流量计测得的初始流量进行修正，得到修正的最终流量。
所述步骤S1中，利用数控系统实时采集第一超声波换能器、第二超声波换能器和第三超声波换能器中输出电信号的信号幅值具体为：
通过数控系统向第一超声波换能器和第三超声波换能器中交替传输电信号，第一超声波换能器接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第三超声波换能器中，第三超声波换能器接收第一超声波换能器发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中；
若液体管道未出现气泡，则第三超声波换能器接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第一超声波换能器中，第一超声波换能器接收第三超声波换能器发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中；
若液体管道中出现气泡，则第三超声波换能器接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第一超声波换能器和第二超声波换能器中，第一超声波换能器接收第三超声波换能器发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中，第二超声波换能器接收第三超声波换能器发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中。
所述的步骤S3具体为：
首先利用第一超声波换能器和第三超声波换能器输出电信号的信号幅值获得t时刻气泡的横截面积S，然后按照以下公式处理得到t时刻液体管道中液体的流量Q：
Q＝(πd2/4-S)v2
其中，d为液体管道的内径，v2为流量计利用多普勒法测得的流速。
本发明的工作原理：
1、用于时差式流量检测的超声波换能器采用时差法对液体进行流量测量，当超声波传播方向与液体流向在同一侧时，超声波的传播会被加速，反之被减速，通过对顺逆流超声波信号进行分析可以计算出时延和液体流速，进而根据流体横截面积计算出流量。
2、空气与大多数液体(典型的水)之间存在巨大的声阻抗，当超声波通过两相界面时大部分被反射，只有少部分超声波透过界面沿原方向传播，因此对超声波换能器接收到的信号进行幅值强度阈值检测可以判断是否有气泡产生，更进一步通过建立阈值水平与气泡垂直于管道轴线的横截面积的关系，从而对气液两相流中液体流量进行流量修正。
3、当检测到气泡时用于多普勒式流量检测的超声波换能器被使用，用于多普勒式流量检测的超声波换能器采用多普勒法对液体进行流量测量，根据多普勒效应被运动气泡反射的超声波会产生多普勒频移，对通过超声波换能器接收到的超声波信号进行频谱分析可以得到相应的频移和液体流速，液体流速与修正后管道横截面积的乘积作为补偿后的液体流量。
因为采用了上述技术方案，能通过时差式流量检测换能器在单相流工况下用时差法对液体进行流量测量，同时对超声波换能器接收信号的强度进行阈值检测以判断气泡是否产生以及对气泡大小进行检测。当有气泡存在时通过用于多普勒式流量检测的超声波换能器对气液两相流进行流量测量，同时用用于时差式流量检测的超声波换能器测得的气泡垂直于管道轴线的横截面积对用于多普勒式流量检测的超声波换能器测得的流量进行流量修正。
本发明的有益效果为：
1、本发明的超声波流量计适应于包括液体单相流和气液两相流的多种工况，可以对气液两相流下的液体体积进行流量补偿，使流量测量结果更加精确。
2、本发明的超声波流量计具备高灵敏度的气泡检测能力，能够及时识别和检测流体中存在的气泡或空腔。通过准确的气泡检测，可以提前发现气泡的存在并采取相应的措施，从而避免气泡对流量计测量结果的干扰。
3、基于气泡检测的结果，本发明的超声波流量计还具备流量修正功能。当检测到气泡存在时，流量计会根据气泡的特性和流体的运动状态进行流量修正，以减少或消除气泡对流量测量结果的影响。通过流量修正，可以提高流量计的准确性和稳定性，确保获得可靠的流量测量数据。
4、本发明采用外夹式设计，即流体管道外围安装超声波传感器。这种设计使得安装和维护更加方便，不需要改变管道结构或直接接触流体，减少了对管道的干扰和介入，提高了设备的可靠性和使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为上夹钳模块的结构示意图；
图3为下夹钳模块的结构示意图；
图4为本发明的左视图；
图5为上夹钳模块在图4中A-A处的剖视图；
图6为下夹钳模块在图4中A-A处的剖视图；
图7为液体单相流与气液两相流下超声波接收换能器接收到的超声波信号对比图。
图中：11、下夹钳外壳；12、第一声阻抗匹配层；21、第一超声波换能器；22、第一L形孔；23、第一引线；31、第二超声波换能器；32、第二L形孔；33、第二引线；41、第三超声波换能器；42、第三L形孔；43、第三引线；51、上夹钳外壳；52、第二声阻抗匹配层；6、液体管道 7、连接轴 8、螺帽。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1-图4所示，流量计包括上夹钳模块、下夹钳模块和连接轴7；上夹钳模块位于下夹钳模块之上，上夹钳模块底部的后端和下夹钳模块顶部的后端之间通过连接轴7可活动地连接，上夹钳模块可沿着连接轴7的轴线旋转地安装在下夹钳模块上，上夹钳模块底部的前端和下夹钳模块顶部的前端之间通过螺栓可活动地连接；上夹钳模块底部的中间和下夹钳模块顶部的中间均开设有条形限位槽，两个条形限位槽连通后共同组成了柱状管道槽，条形限位槽的横截面近似半圆形，两个条形限位槽组成了横截面为近似圆形的柱状管道槽，横截面为垂直于液体管道6轴线的截面，纵截面具体为平行于液体管道6轴线且与流量计前后两个侧面平行的截面，待测流量的液体管道6被夹持在上夹钳模块和下夹钳模块之间的柱状管道槽处；上夹钳模块和下夹钳模块中均设有与外部的数控系统连接的射频同轴接头。
流量计的后方向为靠近连接轴7的一端，流量计的前方向为远离连接轴7的一端，流量计的左右方向与前后方向垂直。
如图3和如图6所示，下夹钳模块包括下夹钳外壳11、第一声阻抗匹配层12、第一超声波换能器21、第一引线23和第一射频同轴接头；下夹钳外壳11上部的中间开设有第一卡槽，第一声阻抗匹配层12放置在下夹钳外壳11的第一卡槽中，下夹钳外壳11顶部的两侧均开设有横截面为半圆形的第一条形槽，下夹钳外壳11下部的一侧(即左侧)开设有纵截面为L形的第一L形孔22，第一L形孔22的里端与第一卡槽连通且第一L形孔22位于第一卡槽的左下侧，第一超声波换能器21和第一射频同轴接头分别设置在第一L形孔22的里端和外端，里端和外端分别为L形孔中靠近流量计内周和外周的一端，第一超声波换能器21和第一射频同轴接头之间通过第一引线23连接；第一射频同轴接头通过射频连接线与外部的数控系统连接；第一引线23设置在第一L形孔22中；
第一声阻抗匹配层12的上表面为弧面，第一声阻抗匹配层12上表面左、右两侧的边分别略高于两个第一条形槽里侧的弧线边，即第一声阻抗匹配层12上表面的左端弧线略高于左端第一条形槽的右侧弧线，第一声阻抗匹配层12上表面的右端弧线略高于右端第一条形槽的左侧弧线，第一超声波换能器21和第一声阻抗匹配层12的下表面接触，将第一声阻抗匹配层12的下表面中与第一超声波换能器21接触的侧面作为第一标准侧面，第一标准侧面和第一超声波换能器21所在平面的倾斜角度相同。
如图2和图5所示，上夹钳模块包括上夹钳外壳51、第二声阻抗匹配层52、第二超声波换能器31、第三超声波换能器41、第二引线33、第三引线43、第二射频同轴接头和第三射频同轴接头；
上夹钳外壳51下部的中间开设有第二卡槽，第二声阻抗匹配层52放置在上夹钳外壳51的第二卡槽中，上夹钳外壳51底部的两侧均开设有横截面为半圆形的第二条形槽，上夹钳外壳51上部的两侧分别开设有纵截面为L形的第二L形孔32和纵截面为L形的第三L形孔42，第二L形孔32和第三L形孔42的里侧分别与第二卡槽的左、右两侧连通，且第二L形孔32和第三L形孔42均位于第二卡槽上侧，第二超声波换能器31和第二射频同轴接头分别设置在第二L形孔32的里端和外端，第三超声波换能器41和第三射频同轴接头分别设置在第三L形孔42的里端和外端，里端和外端分别为L形孔22、32、42中位于流量计内周和外周的一端，第二超声波换能器31和第二射频同轴接头之间通过第二引线33连接，第三超声波换能器41和第三射频同轴接头之间通过第三引线43连接；第二射频同轴接头和第三射频同轴接头分别通过射频连接线分别与外部的数控系统连接；第二引线33和第三引线43分别设置在第二L形孔32和第三L形孔42中。
第二声阻抗匹配层52的下表面为弧面，第二声阻抗匹配层52下表面左、右两侧的边分别略高于两个第二条形槽里侧的弧线边，即第二声阻抗匹配层52下表面的左端弧线略高于左端第二条形槽的右侧弧线，第二声阻抗匹配层52下表面的右端弧线略高于右端第二条形槽的左侧弧线，第二超声波换能器31和第三超声波换能器41分别与第二声阻抗匹配层52上表面的左、右两侧接触，将第二声阻抗匹配层52的上表面中与第二超声波换能器31接触的侧面作为第二标准侧面，将第二声阻抗匹配层52的上表面中与第三超声波换能器41接触的侧面作为第三标准侧面，第二标准侧面和第三标准侧面的倾斜角度分别与第二超声波换能器31所在平面和第三超声波换能器41所在平面的倾斜角度相同。
第一超声波换能器21、第二超声波换能器31和第三超声波换能器41均为扁平的实心柱体结构，第一超声波换能器21的圆形平面和水平面之间的夹角为第一典型角度γ，第二超声波换能器31的圆形平面和水平面之间的夹角为第二典型角度α，第三超声波换能器41的圆形平面和水平面之间的夹角为第三典型角度β，即第一标准侧面和水平面之间的夹角为第一典型角度γ，第二标准侧面和水平面之间的夹角为第二典型角度α，第三标准侧面和水平面之间的夹角为第三典型角度β。
第一条形槽横截面的半径和第二条形槽横截面的半径均等于待测液体管道6的半径，使得待测液体管道6被夹持在两个条形槽之间；声阻抗匹配层12、52的弧度和待测液体管道6之间存在略微差异，使得待测液体管道6安装后能把声阻抗匹配层12、52压紧；下夹钳模块中的第一条形槽与上夹钳模块中的第一条形槽的数量和排布位置分布相同且槽口排布位置在竖直方向一一对齐，使得液体管道6的左端设置在左端第一条形槽和左端第二条形槽之间，液体管道6的右端设置在右端第一条形槽和对应的右端第二条形槽之间，液体管道6的中部被夹持在第一声阻抗匹配层12的上表面和第二声阻抗匹配层52的下表面之间。
第一典型角度γ的范围为30°～40°；第二典型角度α的范围为20°～40°；第三典型角度β的范围为30°～60°。
第一超声波换能器21、第二超声波换能器31和第三超声波换能器41采用压电陶瓷制成，形状为圆板状。
下夹钳外壳11顶部后端的左右两侧分别开设有第一凸起和第二凸起，第一凸起开设盲孔，第二凸起开设螺纹通孔，下夹钳外壳11顶部前端的中间设有第一凸缘，第一凸缘中开设通孔，上夹钳外壳51底部后端的中间设有第三凸起，第三凸起开设通孔，上夹钳外壳51底部前端的中间设有第二凸缘，第二凸缘中开设螺纹通孔，第三凸起位于第一凸起和第二凸起之间，连接轴7的一端依次穿设过第二凸起和第三凸起后固定在第一凸起的盲孔处，连接轴7的另一端通过螺帽8与第二凸起连接；第一凸缘和第二凸缘通过螺栓连接，用于压紧液体管道6。
L形孔22，32，42的里端呈两阶的阶梯型结构，上层阶梯尺寸小于下层阶梯，超声波换能器21，31，41被限位在下层阶梯中，上层阶梯的设置是为了防止超声波换能器21，31，41向靠近L形孔22，32，42外端的方向移动，同时为超声波换能器21，31，41提供吸收振动的空气背衬，超声波换能器21，31，41的厚度略大于下层阶梯高度，使得超声波换能器21，31，41向声阻抗匹配层12，52方向压紧。
第一超声波换能器21、第一引线23和第一射频同轴接头构成了第一超声波换能器组件，第二超声波换能器31、第二引线33和第二射频同轴接头构成了第二超声波换能器组件，第三超声波换能器41、第三引线43和第三射频同轴接头构成了第三超声波换能器组件，第二超声波换能器组件和第三超声波换能器组件用于多普勒式流量测量，第一超声波换能器组件和第三超声波换能器组件用于时差式流量测量。
第一声阻抗匹配层12被设置于第一超声波换能器21与液体管道6之间，第一声阻抗匹配层12通过弧面与液体管道6外表面贴合，通过第一典型角度γ所在的平面与第一超声波换能器21的表面贴合；
第二声阻抗匹配层52被设置于超声波换能器31，41与所测液体管道6之间，第二声阻抗匹配层52通过弧面与液体管道6外表面贴合，通过第二典型角度α的平面与第二超声波换能器31的表面贴合，通过第三典型角度β的平面与第三超声波换能器41的表面贴合。
用于时差式流量测量的超声波换能器组件中，第一超声波换能器21和第三超声波换能器41沿各自中心轴按照典型频率f交替地进行超声波束的发射和接收；超声波的典型频率f为1MHz～10MHz。
用于多普勒式流量测量的超声波换能器组件中，第三超声波换能器41按照典型频率进行超声波束的发射，第二超声波换能器31接收气泡反射的超声波信号。
如图7是液体单相流与气液两相流下超声波接收换能器接收到的超声波信号对比。超声波换能器41接收到的四种不同强度的信号按照信号强度由强到弱分别对应无气泡、气泡直径占管道内径3/4、气泡直径占管道内径1/2和气泡直径占管道内径1/4的气液两相流流型。通过建立超声波换能器接收信号的强度与气泡垂直于管道轴线横截面积的关系，可以通过超声波换能器的接收信号推算出气泡的体积，从而对液体流量进行修正。
本发明的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、首先上夹钳模块和下夹钳模块将待测的液体管道6夹紧，利用数控系统实时采集第一超声波换能器21、第二超声波换能器31和第三超声波换能器41中输出电信号的信号幅值：
若t时刻的第三超声波换能器41的信号幅值不低于预设的强度阈值，则认为t时刻液体管道6中没有气泡出现，转至步骤S2获得t时刻液体管道6中液体的流量Q；
若t时刻的第三超声波换能器41的信号幅值低于预设的强度阈值，则认为t时刻液体管道6中出现气泡，转至步骤S3获得t时刻液体管道6中液体的流量Q；
步骤S2、气泡出现未出现时，t时刻液体管道6中液体的流量Q按照以下公式处理得到：
Q＝πd2v1/4
其中，d为液体管道6的内径，v1为流量计利用时差法测得的流速；π取3.14159；t为流量计测流量的时刻；
步骤S3：气泡出现出现时，利用第二超声波换能器31对流量计测得的初始流量进行修正，得到修正的最终流量。
步骤S1中，利用数控系统实时采集第一超声波换能器21、第二超声波换能器31和第三超声波换能器41中输出电信号的信号幅值具体为：
通过数控系统向第一超声波换能器21和第三超声波换能器41中交替传输电信号，第一超声波换能器21接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第三超声波换能器41中，第三超声波换能器41接收第一超声波换能器21发出的超声波后转换为电信号传输回数控系统中；
若液体管道6未出现气泡，则第三超声波换能器41接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波大部分传输到第一超声波换能器21中，第一超声波换能器21接收第三超声波换能器41发出的超声波后转换为电信号传输回数控系统中，第二超声波换能器31接收到很少的超声波，利用时差法获得液体管道6流量时，不考虑第二超声波换能器31接收的超声波的波形信息；
若液体管道6中出现气泡，则第三超声波换能器41接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波分别传输到第一超声波换能器21和第二超声波换能器31中，第一超声波换能器21接收第三超声波换能器41发出的超声波后转换为电信号传输回数控系统中，第二超声波换能器31接收第三超声波换能器41发出的超声波后转换为电信号传输回数控系统中。
若液体管道6未出现气泡时，根据第一超声波换能器21和第三超声波换能器41中输出电信号的波形信息，再利用时差法即可得到液体管道6中的流速v1，进而获得液体管道6中的流量。
步骤S3具体为：
首先利用第一超声波换能器21和第三超声波换能器41输出电信号的信号幅值获得t时刻气泡的横截面积S，然后按照以下公式处理得到t时刻液体管道6中液体的流量Q：
Q＝(πd2/4-S)v2
其中，d为液体管道6的内径，v2为流量计利用多普勒法测得的流速。π取3.14159；t为流量计测流量的时刻；
若液体管道6出现气泡时，根据第二超声波换能器31和第三超声波换能器41中输出电信号的信号频率，再利用多普勒法即可得到液体管道6中的流速v2，根据第一超声波换能器21和第三超声波换能器41中输出电信号的信号幅值，再利用阈值法即可得到液体管道6中t时刻气泡的横截面积S，进而通过流量修正获得液体管道6中的流量。

Claims (10)

1.一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计，其特征在于：
包括上夹钳模块、下夹钳模块和连接轴(7)；上夹钳模块位于下夹钳模块之上，上夹钳模块底部的后端和下夹钳模块顶部的后端之间通过连接轴(7)可活动地连接，上夹钳模块可沿着连接轴(7)的轴线旋转地安装在下夹钳模块上，上夹钳模块底部的前端和下夹钳模块顶部的前端之间通过螺栓可活动地连接；上夹钳模块底部的中间和下夹钳模块顶部的中间均开设有条形限位槽，两个条形限位槽共同组成了柱状管道槽，待测流量的液体管道(6)被夹持在上夹钳模块和下夹钳模块之间的柱状管道槽处；上夹钳模块和下夹钳模块中均设有与外部的数控系统连接的射频同轴接头。
2.根据权利要求1所述的一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计，其特征在于：所述的下夹钳模块包括下夹钳外壳(11)、第一声阻抗匹配层(12)、第一超声波换能器(21)、第一引线(23)和第一射频同轴接头；下夹钳外壳(11)上部的中间开设有第一卡槽，第一声阻抗匹配层(12)放置在下夹钳外壳(11)的第一卡槽中，下夹钳外壳(11)顶部的两侧均开设有横截面为半圆形的第一条形槽，下夹钳外壳(11)下部的一侧开设有第一L形孔(22)，第一L形孔(22)与第一卡槽连通且第一L形孔(22)位于第一卡槽下侧，第一超声波换能器(21)和第一射频同轴接头分别设置在第一L形孔(22)的里端和外端，第一超声波换能器(21)和第一射频同轴接头之间通过第一引线(23)连接；第一射频同轴接头通过射频连接线与外部的数控系统连接；
所述的第一声阻抗匹配层(12)的上表面为弧面，第一声阻抗匹配层(12)上表面左、右两侧的边分别高于两个第一条形槽里侧的弧线边，第一超声波换能器(21)和第一声阻抗匹配层(12)的下表面接触，将第一声阻抗匹配层(12)的下表面中与第一超声波换能器(21)接触的侧面作为第一标准侧面，第一标准侧面和第一超声波换能器(21)的倾斜角度相同。
3.根据权利要求1所述的一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计，其特征在于：所述的上夹钳模块包括上夹钳外壳(51)、第二声阻抗匹配层(52)、第二超声波换能器(31)、第三超声波换能器(41)、第二引线(33)、第三引线(43)、第二射频同轴接头和第三射频同轴接头；上夹钳外壳(51)下部的中间开设有第二卡槽，第二声阻抗匹配层(52)放置在上夹钳外壳(51)的第二卡槽中，上夹钳外壳(51)底部的两侧均开设有横截面为半圆形的第二条形槽，上夹钳外壳(51)上部的两侧分别开设有第二L形孔(32)和第三L形孔(42)，第二L形孔(32)和第三L形孔(42)的里侧分别与第二卡槽的左、右两侧连通，且第二L形孔(32)和第三L形孔(42)均位于第二卡槽上侧，第二超声波换能器(31)和第二射频同轴接头分别设置在第二L形孔(32)的里端和外端，第三超声波换能器(41)和第三射频同轴接头分别设置在第三L形孔(42)的里端和外端，第二超声波换能器(31)和第二射频同轴接头之间通过第二引线(33)连接，第三超声波换能器(41)和第三射频同轴接头之间通过第三引线(43)连接；第二射频同轴接头和第三射频同轴接头分别通过射频连接线分别与外部的数控系统连接；
所述的第二声阻抗匹配层(52)的下表面为弧面，第二声阻抗匹配层(52)下表面左、右两侧的边分别高于两个第二条形槽里侧的弧线边，第二超声波换能器(31)和第三超声波换能器(41)分别与第二声阻抗匹配层(52)上表面的左、右两侧接触，将第二声阻抗匹配层(52)的上表面中与第二超声波换能器(31)接触的侧面作为第二标准侧面，将第二声阻抗匹配层(52)的上表面中与第三超声波换能器(41)接触的侧面作为第三标准侧面，第二标准侧面和第三标准侧面的倾斜角度分别与第二超声波换能器(31)和第三超声波换能器(41)的倾斜角度相同。
4.根据权利要求3所述的一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计，其特征在于：所述第一超声波换能器(21)、第二超声波换能器(31)和第三超声波换能器(41)均为柱体结构，第一超声波换能器(21)的圆形平面和水平面之间的夹角为第一典型角度γ，第二超声波换能器(31)的圆形平面和水平面之间的夹角为第二典型角度α，第三超声波换能器(41)的圆形平面和水平面之间的夹角为第三典型角度β。
5.根据权利要求3所述的一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计，其特征在于：所述第一条形槽横截面的半径、第二条形槽横截面的半径均等于待测液体管道(6)的半径；下夹钳模块中的第一条形槽与上夹钳模块中的第一条形槽的数量和排布位置分布相同且槽口对齐，使得液体管道(6)的一端设置在一个第一条形槽和一个第二条形槽之间，液体管道(6)的另一端设置在另一个第一条形槽和另一个第二条形槽之间，液体管道(6)的中部被夹持在第一声阻抗匹配层(12)的上表面和第二声阻抗匹配层(52)的下表面之间。
6.根据权利要求4所述的一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计，其特征在于：所述的第一典型角度γ的范围为30°～40°；所述第二典型角度α的范围为20°～40°；所述第三典型角度β的范围为30°～60°。
7.根据权利要求3所述的一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计，其特征在于：所述的第一超声波换能器(21)、第二超声波换能器(31)和第三超声波换能器(41)采用压电陶瓷制成。
8.一种应用于权利要求1-7任一所述外夹式超声波流量计的一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、首先上夹钳模块和下夹钳模块将待测的液体管道(6)夹紧，利用数控系统实时采集第一超声波换能器(21)、第二超声波换能器(31)和第三超声波换能器(41)中输出电信号的信号幅值：
若t时刻的第三超声波换能器(41)的信号幅值不低于预设的强度阈值，则认为t时刻液体管道(6)中没有气泡出现，转至步骤S2获得t时刻液体管道(6)中液体的流量Q；
若t时刻的第三超声波换能器(41)的信号幅值低于预设的强度阈值，则认为t时刻液体管道(6)中出现气泡，转至步骤S3获得t时刻液体管道(6)中液体的流量Q；
步骤S2、t时刻液体管道(6)中液体的流量Q按照以下公式处理得到：
Q＝πd2v1/4
其中，d为液体管道(6)的内径，v1为流量计利用时差法测得的流速；
步骤S3：利用第二超声波换能器(31)对流量计测得的初始流量进行修正，得到修正的最终流量。
9.根据权利要求8所述的一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量测量方法，其特征在于：所述步骤S1中，利用数控系统实时采集第一超声波换能器(21)、第二超声波换能器(31)和第三超声波换能器(41)中输出电信号的信号幅值具体为：
通过数控系统向第一超声波换能器(21)和第三超声波换能器(41)中交替传输电信号，第一超声波换能器(21)接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第三超声波换能器(41)中，第三超声波换能器(41)接收第一超声波换能器(21)发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中；
若液体管道(6)未出现气泡，则第三超声波换能器(41)接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第一超声波换能器(21)中，第一超声波换能器(21)接收第三超声波换能器(41)发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中；
若液体管道(6)中出现气泡，则第三超声波换能器(41)接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第一超声波换能器(21)和第二超声波换能器(31)中，第一超声波换能器(21)接收第三超声波换能器(41)发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中，第二超声波换能器(31)接收第三超声波换能器(41)发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中。
10.根据权利要求8所述的一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量测量方法，其特征在于：所述的步骤S3具体为：
首先得到第一超声波换能器(21)和第三超声波换能器(41)输出电信号的信号幅值，利用信号幅值获得t时刻气泡的横截面积S，然后按照以下公式处理得到t时刻液体管道(6)中液体的流量Q：
Q＝(πd2/4-S)v2
其中，d为液体管道(6)的内径，v2为流量计利用多普勒法测得的流速。
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