CN117368518A - 一种管道内超声波飞行时间的测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的技术方案提供一种管道内超声波飞行时间的测量系统及方法，测量系统用于测量管道内液体介质的平均流速v，所述测量系统包括液体超声波传播速度测量装置及套管式超声波测速模块，所述液体超声波传播速度测量装置安装在测量管道上，所述液体超声波传播速度测量装置用于采集管道内液体并将其静置，并基于静止状态下的液体进行超声波在液体介质静止下飞行传播速度C的测量。本发明在采用超声波时间差法测量管道内液体介质流速之前先进行静止状态下该超声波在该液体介质下的传播飞行速度，为后续超声波时间差法计算提供更加准确的初始数据，提升超声波时间差法测量管道内液体流速的准确性，适用于管道内会不定期更换不同介质液体的应用场景。
Description
技术领域
本发明涉及超声波飞行时间测量技术领域，尤其涉及一种管道内超声波飞行时间的测量系统及方法。
背景技术
超声波法是继流速仪法之后的流速测量方法的后起之秀。超声波法使用超声流量计进行流量测量，其基本原理是利用被测流体的非声学量（如流速、液位等）和媒质的声学量（如声速、声阻抗等）之间存在的关系，通过声学量的测定求出非声学量。超声波在流体中飞行传播速度与静止水体中飞行传播速度是不同的，其变化与流体速度有关，其值与媒质的平均流速呈线性关系。因此根据超声波传播速度的变化来推求水流的速度，从而算出流量。超声波测量管道内流体压力与流量具有精度高、非接触性、不破坏流体等优势。超声波测量管道内流体压力与流量的关键是测量超声波在管道内流体中的传播速度。传统的超声波测量原理基本都是基于超声波时差法来实现，超声法测流是利用超声波通过液体介质时所需的时间差（因为顺流向比逆流向通过水体时所需的时间短）的原理来测定流速的方法。
目前，现有的超声波时差法应用到管道内进行测速时，实际上是基本默认将不同液体等同处理为水，也就是基于超声波在静止状态下的飞行传播速度来代入时差法的计算公式得到液体在管道流速的计算结果的。然而，超声波在不同介质或者浓度下的液体中的传播速度是不同的。
现有技术中基于一个不确定超声波飞行速度值来计算不确定液体介质在管道中的流速带来的误差是较大的，其测量精度达不到化工、科研等领域的要求。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种管道内超声波飞行时间的测量系统及方法，解决现有技术中基于一个不确定超声波飞行速度值来计算不确定液体介质在管道中的流速带来的误差的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种管道内超声波飞行时间的测量系统及方法，测量系统用于测量管道内液体介质的平均流速v，所述测量系统包括：
液体超声波传播速度测量装置，所述液体超声波传播速度测量装置安装在测量管道上，所述液体超声波传播速度测量装置用于采集管道内液体并将其静置，并基于静止状态下的液体进行超声波在液体介质静止下飞行传播速度C的测量；及
套管式超声波测速模块，所述套管式超声波测速模块安装在测量管道上，所述套管式超声波测速模块用于获取两次超声脉冲信号在管道内液体流动中的飞行时间，获得其飞行时间差，并通过超声波时间差法代入静止下飞行传播速度C，并获得其平均流速v。
进一步的，所述套管式超声波测速模块包括第一超声波发射接收模块、第二超声波发射接收模块、固定套和基于芯片的测速模块，所述第一超声波发射接收模块和第二超声波发射接收模块通过固定套固定在管道的外壁上，所述测速模块分别与第一超声波发射接收模块和第二超声波发射接收模块通信连接，所述第一超声波发射接收模块和第二超声波发射接收模块用于两次超声脉冲信号的收发，所述测速模块用于接收测量数据并对数据进行处理和计算，输出平均流速v。
进一步的，还包括智能测量控制模块，所述智能测量控制模块分别与液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块通信连接，并分别控制所述液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块各个电器件的执行动作，并显示超声波在液体介质静止下飞行传播速度C和液体介质在管道内的平均流速v。
进一步的，所述液体超声波传播速度测量装置包括第一电控阀门、取样管、第二电控阀门、超声波发射器、超声波接收器和基于芯片的速度测量电路板，所述管道上设置有取样口和回流口，所述取样管的两端分别连通在所述管道的取样口和回流口处，所述第一电控阀门和第二电控阀门分别设置在所述取样管的两端，所述智能测量控制模块分别与所述第一电控阀门和第二电控阀门控制连接，所述超声波发射器设置在所述取样管的一侧，所述超声波接收器设置在取样管的对应超声波发射器的另一侧，用于接收所述超声波发射器发出的超声波信号，所述速度测量电路板分别与所述超声波发射器和超声波接收器通信连接，所述速度测量电路板分别与所述智能测量控制模块和测速模块通信连接。
进一步的，所述取样管的材质、壁厚和横截面积均与所述管道的一致。
进一步的，所述智能测量控制模块包括主控芯片、转换液体介质测速控制按钮、存储器和显示器，所述转换液体介质测速控制按钮与主控芯片通信连接，所述存储器和显示器分别与主控芯片通信连接，所述存储器用于存储测量数据，所述显示器用于显示测量数据，所述主控芯片分别与所述液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块的各电器件通信连接。
本发明还提供一种管道内超声波飞行时间的测量方法，其安装上述测量系统进行，包括步骤：
步骤1、触发转换液体介质测速控制按钮，主控芯片向液体超声波传播速度测量装置发送测速指令，第一电控阀门和第二电控阀门均打开，持续设定时间后，第一电控阀门和第二电控阀门均关闭；
步骤2、第一电控阀门和第二电控阀门均关闭超过一分钟后，超声波发射器开启发送超声波脉冲信号，超声波接收器接收到超声波脉冲信号，速度测量电路板基于超声波发射器发送超声波脉冲信号和超声波接收器接收超声波脉冲信号的时间差，以及超声波发射器和超声波接收器的直线距离，计算超声波在液体介质静止下飞行传播速度C；
步骤3、速度测量电路板将超声波在液体介质静止下飞行传播速度C的数据传输给智能测量控制模块和测速模块；
步骤4、测速模块控制第一超声波发射接收模块在时间t1发送第一次超声波脉冲信号，第二超声波发射接收模块在时间t2接收到第一次超声波脉冲信号，记录超声波第一次飞行时间为ta，ta=t2-t1；
再控制第二超声波发射接收模块时间t3发送第二次超声波脉冲信号，第一超声波发射接收模块在时间t4接收到第二次超声波脉冲信号，记录超声波第二次飞行时间为tb，tb=t4-t3；
则两次超声波脉冲信号飞行时间差为，测速模块基于两次超声波脉冲信号飞行时间差/>和计算液体介质在管道内的平均流速v，并将平均流速v的数据传输给智能测量控制模块；
步骤5、智能测量控制模块的显示器显示超声波在液体介质静止下飞行传播速度C、以及第一超声波发射接收模块和第二超声波发射接收模块之间的直线距离S计算液体介质在管道内的平均流速v。
可选的，步骤1中，第一电控阀门和第二电控阀门打开的持续时间以将取样管充满液体介质为标准。
可选的，步骤2中，设超声波发射器发送超声波脉冲信号的时间为t5，超声波接收器接收到超声波脉冲信号的时间为t6，设超声波发射器发射端部和超声波接收器的接收端部的直线距离为d，则。
可选的，步骤4中，设第一超声波发射接收模块的发射接收端和第二超声波发射接收模块发射接收端之间的直线距离为S，平均流速v计算的方法是：。
与现有技术相比，本发明的有益效果：在采用超声波时间差法测量管道内液体介质流速之前先进行静止状态下该超声波在该液体介质下的传播飞行速度，能为后续超声波时间差法计算提供更加准确的初始数据，能大幅提升超声波时间差法测量管道内液体流速的准确性，适用于管道内会不定期更换不同介质液体的应用场景。
附图说明
图1是根据本发明实施例所述的管道内超声波飞行时间的测量系统的连接原理示意图；
图2是根据本发明实施例所述的管道内超声波飞行时间的测量系统各电器件连接原理示意图；
图3是根据本发明实施例所述的管道内超声波飞行时间的测量方法的流程示意图；
图中：11、第一电控阀门；12、取样管；13、第二电控阀门；14、超声波发射器；15、超声波接收器；16、速度测量电路板；21、第一超声波发射接收模块；22、第二超声波发射接收模块；23、固定套；24、测速模块；10、智能测量控制模块；111、主控芯片；112、转换液体介质测速控制按钮；113、存储器；114、显示器；100、管道；101、液体介质。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
如图1-2所示，本发明提供了一种管道内超声波飞行时间的测量系统，测量系统用于测量管道100内液体介质101的平均流速v，测量系统包括液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块，所述液体超声波传播速度测量装置安装在测量管道上，所述液体超声波传播速度测量装置用于采集管道100内液体将其静置，并基于静止状态下的液体进行超声波在液体介质101静止下飞行传播速度C的测量；所述套管式超声波测速模块安装在测量管道上，所述套管式超声波测速模块用于获取两次超声脉冲信号在管道内液体流动中的飞行时间，获得其飞行时间差，并通过超声波时间差法代入静止下飞行传播速度C，并获得其平均流速v。
进一步的，为了流体的飞行时间差，以套管式超声波测速模块进行，具体的，套管式超声波测速模块包括第一超声波发射接收模块21、第二超声波发射接收模块22、固定套23和基于芯片的测速模块24。
其中，第一超声波发射接收模块21和第二超声波发射接收模块22通过固定套23固定在管道100的外壁上，并呈相对分布，另外，测速模块24分别与第一超声波发射接收模块21和第二超声波发射接收模块22通信连接，基于第一超声波发射接收模块21和第二超声波发射接收模块22的发射和接收速度，并结合液体超声波传播速度测量装置测得的液体介质101静止下的飞行传播速度C，计算获得液体介质101在管道100内的平均流速v。
可以理解的，第一超声波发射接收模块21和第二超声波发射接收模块22均采用超声波收发一体模块，同时具有收发超声波的功能，由于需要实现双向发射和接收，因此第一超声波发射接收模块21和第二超声波发射接收模块22均为超声波收发一体模块。
进一步的，为了对液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块进行控制以及数据显示，测量系统还包括智能测量控制模块10，具体的，智能测量控制模块10分别与液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块通信连接，并分别控制液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块各个电器件的执行动作，并显示超声波在液体介质101静止下飞行传播速度C和液体介质101在管道100内的平均流速v。
可以理解的，在采用超声波时间差法测量管道100内液体介质101流速之前先进行静止状态下该超声波在该液体介质101下的传播飞行速度，能为后续超声波时间差法计算提供更加准确的初始数据，能大幅提升超声波时间差法测量管道100内液体流速的准确性。
在使用中，对于化工或科研领域，其管道100内液体介质101通常在一定时间内其种类和浓度是固定的，通过采集管道100内的液体介质将其静置，并基于静止状态下的液体进行超声波在液体介质101静止下飞行传播速度C的测量可以获得超声波在该液体介质101静止状态下的飞行传播速度C，将C数值传输给套管式超声波测速模块和智能测量控制模块10后，套管式超声波测速模块可以基于第一超声波发射接收模块21、第二超声波发射接收模块22的来回发射接收超声波脉冲信号时间差和布置的距离值计算出该液体介质101在管道100内的平均流速v，最终智能测量控制模块10可以显示超声波在液体介质101静止下飞行传播速度C和液体介质101在管道100内的平均流速v供工作人员查看。
在某一个实施例中，液体超声波传播速度测量装置包括第一电控阀门11、取样管12、第二电控阀门13、超声波发射器14、超声波接收器15和基于芯片的速度测量电路板16，管道100上设置取样口和回流口，取样管12的两端分别连通在管道100的取样口和回流口处，形成可流通的回路。第一电控阀门11和第二电控阀门13分别设置在取样管12的两端，智能测量控制模块10分别与第一电控阀门11和第二电控阀门13控制连接。通过控制第一电控阀门11和第二电控阀门13的打开实现取样管12内充满液体介质101，并通过第一电控阀门11和第二电控阀门13的关闭实现液体介质101在取样管12内静止，即在流动的介质中，获取一段静止的介质。
另外，超声波发射器14设置在取样管12的一侧，超声波接收器15设置在取样管12的对应超声波发射器14的另一侧，用于接收超声波发射器14发出的超声波信号，速度测量电路板16分别与超声波发射器14和超声波接收器15通信连接，基于发射接收时间差计算超声波在液体介质101静止下飞行传播速度C，速度测量电路板16分别与智能测量控制模块10和测速模块24通信连接。
可以理解的，液体超声波传播速度测量装置基于一个取样管12来实现，为了在取样管12中实现对管道100内同种液体介质101的采用，可以将取样管12对接安装在管道100底部设置的取样口和回流口，与管道100并排布置，也可以将取样管12的两端对接在任意可以采集到管道100内同种液体介质101的位置，例如对接法兰处，阀门处等，通过第一电控阀门11和第二电控阀门13的同时开启，可以将管道100内的同种液体介质101引入到取样管12中，再将第一电控阀门11和第二电控阀门13关闭，再静止设定时间，这个时间可以根据实际情况来设定，不作特定限制，目的是在封闭后的取样管12中将流动的液体介质101静止下来。
并且，在静止状态下，控制超声波发射器14发射超声波脉冲信号，超声波接收器15与超声波发射器14对称设置，发射端和接收端的距离可等同于取样管12的直径，根据情况还可以设置不同的位置，通过测量可以得到发射端和接收端的距离。基于超声波脉冲信号发射和接收的时间差，再结合超声波发射器14发射端和超声波接收器15接收端的直线距离就可以计算出超声波在液体介质101静止下飞行传播速度C，并传输给智能测量控制模块10和测速模块24。
具体在实施时，第一电控阀门11和第二电控阀门13均是可芯片电控的电磁阀门。
在某一个实施例中，为了避免管道变化导致的额外因素影响，取样管12材质、壁厚和横截面积均与管道100一致。
可以理解的，取样管12采用与管道100一致的材质、壁厚和横截面积的意义在于，可以在计算中减小因为超声波穿透管道100内壁带来的测量计算误差，可以不用将超声波发射器或接收器的发射接收端面直接与液体介质101直接接触带来的安装难度。
在某一个实施例中，智能测量控制模块10包括主控芯片111、转换液体介质测速控制按钮112、存储器113和显示器114，转换液体介质测速控制按钮112与主控芯片111通信连接，管道100内更换介质时按下，主控芯片111向液体超声波传播速度测量装置发送测速指令，存储器113和显示器114分别与主控芯片111通信连接，存储器113用于存储测量数据，显示器114用于显示测量数据，主控芯片111分别与液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块的各电器件通信连接。通过按下转换液体介质测速控制按钮112可以通过主控芯片111向液体超声波传播速度测量装置下达测速指令；按下转换液体介质测速控制按钮112意味着管道100内可能已经换产，此时需要重新测定管道100液体介质101的流速，而液体介质101不明确，因此需要液体超声波传播速度测量装置进行一次取样测定；在后续的工作过程中，套管式超声波测速模块可以根据设定时间，来进行平均流速v的测量，最终测量结果均通过存储器113，并通过显示器114显示。
可选的，显示器114是工业触摸显示屏，转换液体介质测速控制按钮112集成显示在显示器114。
其中，转换液体介质测速控制按钮112可以是实体按钮也可以集成到工业触摸显示屏。
本发明还提供一种管道内超声波飞行时间的测量方法，参阅图3，实现管道100内液体介质101的平均流速v进行测量，测量方法包括以下步骤：
步骤1，触发转换液体介质测速控制按钮112，主控芯片111向液体超声波传播速度测量装置发送测速指令，第一电控阀门11和第二电控阀门13均打开，持续设定时间后，第一电控阀门11和第二电控阀门13均关闭；
步骤2，第一电控阀门11和第二电控阀门13均关闭超过一分钟后，超声波发射器14开启发送超声波脉冲信号，超声波接收器15接收到超声波脉冲信号，速度测量电路板16基于超声波发射器14发送超声波脉冲信号和超声波接收器15接收超声波脉冲信号的时间差，以及超声波发射器14和超声波接收器15的直线距离，计算超声波在液体介质101静止下飞行传播速度C；
步骤3，速度测量电路板16将超声波在液体介质101静止下飞行传播速度C的数据传输给智能测量控制模块10和测速模块24；
步骤4，测速模块24控制第一超声波发射接收模块21在时间t1发送第一次超声波脉冲信号，第二超声波发射接收模块22在时间t2接收到第一次超声波脉冲信号，记录超声波第一次飞行时间为ta，ta=t2-t1；
再控制第二超声波发射接收模块22时间t3发送第二次超声波脉冲信号，第一超声波发射接收模块21在时间t4接收到第二次超声波脉冲信号，记录超声波第二次飞行时间为tb，tb=t4-t3；
则两次超声波脉冲信号飞行时间差为，测速模块24基于两次超声波脉冲信号飞行时间差/>和计算液体介质101在管道100内的平均流速v，并将平均流速v的数据传输给智能测量控制模块10；
步骤5，智能测量控制模块10的显示器114显示超声波在液体介质101静止下飞行传播速度C、以及第一超声波发射接收模块21和第二超声波发射接收模块22之间的直线距离S计算液体介质101在管道100内的平均流速v。
在某一个实施例中，步骤1中，第一电控阀门11和第二电控阀门13均打开的持续时间以将取样管12充满液体介质101为标准。
在某一个实施例中，步骤2中，设超声波发射器14发送超声波脉冲信号的时间为t5，超声波接收器15接收到超声波脉冲信号的时间为t6，设超声波发射器14发射端部和超声波接收器15的接收端部的直线距离为d，则。
在某一个实施例中，步骤4中，设第一超声波发射接收模块21的发射接收端和第二超声波发射接收模块22发射接收端之间的直线距离为S，平均流速v计算的方法是：。
超声波时间差法计算的管道100内液体介质101的计算原理在于：
两次超声波脉冲信号飞行时间差为，/>，则平均流速v计算的方法是：/>，得到的平均流速v精确度更高。
整个工作流程结束，且本说明书中未作详细描述的内容均属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种管道内超声波飞行时间的测量系统，其特征在于，测量系统用于测量管道内液体介质的平均流速v，所述测量系统包括：
液体超声波传播速度测量装置，所述液体超声波传播速度测量装置安装在测量管道上，所述液体超声波传播速度测量装置用于采集管道内液体并将其静置，并基于静止状态下的液体进行超声波在液体介质静止下飞行传播速度C的测量；及
套管式超声波测速模块，所述套管式超声波测速模块安装在测量管道上，所述套管式超声波测速模块用于获取两次超声脉冲信号在管道内液体流动中的飞行时间，获得其飞行时间差，并通过超声波时间差法代入静止下飞行传播速度C，并获得其平均流速v。
2.根据权利要求1所述的管道内超声波飞行时间的测量系统，其特征在于，所述套管式超声波测速模块包括第一超声波发射接收模块、第二超声波发射接收模块、固定套和基于芯片的测速模块，所述第一超声波发射接收模块和第二超声波发射接收模块通过固定套固定在管道的外壁上，所述测速模块分别与第一超声波发射接收模块和第二超声波发射接收模块通信连接，所述第一超声波发射接收模块和第二超声波发射接收模块用于两次超声脉冲信号的收发，所述测速模块用于接收测量数据并对数据进行处理和计算，输出平均流速v。
3.根据权利要求2所述的管道内超声波飞行时间的测量系统，其特征在于，还包括智能测量控制模块，所述智能测量控制模块分别与液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块通信连接，并分别控制所述液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块各个电器件的执行动作，并显示超声波在液体介质静止下飞行传播速度C和液体介质在管道内的平均流速v。
4.根据权利要求3所述的管道内超声波飞行时间的测量系统，其特征在于，所述液体超声波传播速度测量装置包括第一电控阀门、取样管、第二电控阀门、超声波发射器、超声波接收器和基于芯片的速度测量电路板，所述管道上设置有取样口和回流口，所述取样管的两端分别连通在所述管道的取样口和回流口处，所述第一电控阀门和第二电控阀门分别设置在所述取样管的两端，所述智能测量控制模块分别与所述第一电控阀门和第二电控阀门控制连接，所述超声波发射器设置在所述取样管的一侧，所述超声波接收器设置在取样管的对应超声波发射器的另一侧，用于接收所述超声波发射器发出的超声波信号，所述速度测量电路板分别与所述超声波发射器和超声波接收器通信连接，所述速度测量电路板分别与所述智能测量控制模块和测速模块通信连接。
5.根据权利要求4所述的管道内超声波飞行时间的测量系统，其特征在于，所述取样管的材质、壁厚和横截面积均与所述管道的一致。
6.根据权利要求5所述的管道内超声波飞行时间的测量系统，其特征在于，所述智能测量控制模块包括主控芯片、转换液体介质测速控制按钮、存储器和显示器，所述转换液体介质测速控制按钮与主控芯片通信连接，所述存储器和显示器分别与主控芯片通信连接，所述存储器用于存储测量数据，所述显示器用于显示测量数据，所述主控芯片分别与所述液体超声波传播速度测量装置和套管式超声波测速模块的各电器件通信连接。
7.一种管道内超声波飞行时间的测量方法，其特征在于：基于权利要求6所述的一种管道内超声波飞行时间的测量系统，包括步骤：
步骤1、触发转换液体介质测速控制按钮，主控芯片向液体超声波传播速度测量装置发送测速指令，第一电控阀门和第二电控阀门均打开，持续设定时间后，第一电控阀门和第二电控阀门均关闭；
步骤2、第一电控阀门和第二电控阀门均关闭超过一分钟后，超声波发射器开启发送超声波脉冲信号，超声波接收器接收到超声波脉冲信号，速度测量电路板基于超声波发射器发送超声波脉冲信号和超声波接收器接收超声波脉冲信号的时间差，以及超声波发射器和超声波接收器的直线距离，计算超声波在液体介质静止下飞行传播速度C；
步骤3、速度测量电路板将超声波在液体介质静止下飞行传播速度C的数据传输给智能测量控制模块和测速模块；
步骤4、测速模块控制第一超声波发射接收模块在时间t1发送第一次超声波脉冲信号，第二超声波发射接收模块在时间t2接收到第一次超声波脉冲信号，记录超声波第一次飞行时间为ta，ta=t2-t1；
再控制第二超声波发射接收模块时间t3发送第二次超声波脉冲信号，第一超声波发射接收模块在时间t4接收到第二次超声波脉冲信号，记录超声波第二次飞行时间为tb，tb=t4-t3；
则两次超声波脉冲信号飞行时间差为，测速模块基于两次超声波脉冲信号飞行时间差/>和计算液体介质在管道内的平均流速v，并将平均流速v的数据传输给智能测量控制模块；
步骤5、智能测量控制模块的显示器显示超声波在液体介质静止下飞行传播速度C、以及第一超声波发射接收模块和第二超声波发射接收模块之间的直线距离S计算液体介质在管道内的平均流速v。
8.根据权利要求7所述的一种管道内超声波飞行时间的测量方法，其特征在于：步骤1中，第一电控阀门和第二电控阀门打开的持续时间以将取样管充满液体介质为标准。
9.根据权利要求7所述的一种管道内超声波飞行时间的测量方法，其特征在于：步骤2中，设超声波发射器发送超声波脉冲信号的时间为t5，超声波接收器接收到超声波脉冲信号的时间为t6，设超声波发射器发射端部和超声波接收器的接收端部的直线距离为d，则。
10.根据权利要求7所述的一种管道内超声波飞行时间的测量方法，其特征在于：步骤4中，设第一超声波发射接收模块的发射接收端和第二超声波发射接收模块发射接收端之间的直线距离为S，平均流速v计算的方法是：。
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