具有采集切向速度测量流量的方法及装置与流程

本发明涉及流量测量技术领域，具体地说是一种具有采集切向速度测量流量的方法及装置。

背景技术：

目前，超声波测量技术在流体流量测量方面的应用越来越广泛，超声波水表、超声波热量表、超声波燃气表、超声波流量计逐步成为市场的主流产品，超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法) 、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。为了准确获取流体的流速信息，传统的超声波流量计都是沿着管体轴向方向布置换能器，从而获取流体的流速信息，推算出流体流量。

众所周知，上述现有的超声波流量计的换能器之间的距离必须保证足够的有效长度，才能达到测量精度，现有的超声波流量计仪表有效测量距离最小为45mm，仪表表体的最小长度在200mm，对于小流量的测量，为了达到更精确的测量精度，一是采用在测量管段上沿轴向加长测量间距，使得有效测量距离大于45mm，而为了达到加长有效测量间距，通常采用将换能器安装座倾斜设置，使得沿轴向设置的相对应的超声波换能器组的延伸线的夹角变大，占用空间大，使得测量管段上的超声波换能器组的安装数量受到了限制，不但使测量的精度受到影响，而且还导致超声波换能器的拆装和维护非常困难，大大提高了生产制造的成本，令超声波流量计价格较高；二是在测量管段上沿轴向设有至少两组相交叉或平行的超声换能器组，不但使超声波换能器的安装数量增多，而且，在维护或更换时，需要将安装在测量管段上的超声波换能器连同测量管段整体拆卸，还大大增加了更换和维护成本。

因此工程现场基本上仍然采用机械式流量计，以节约施工与运行成本，这种机械式流量计的工作原理是流体流动带动叶轮机械的旋转，这种结构的实质性不足是：一是由于较小流动不能推动叶轮旋转，因此，极小流量流速下的数据误差很大，影响了计量精度；二是由于机械零件的相互摩擦，长时间运动导致叶轮轴磨损或结垢，也同样影响计量的准确度；三是由于机械表采用数字盘计数，只能显示累计流量，不能显示瞬时流速，很难实现无人抄表和远程控制。

为了解决上述技术问题， CN204788528U公开了一种具有导流十字架的超声波热量表用流量传感器，包括管体、进水端超声波换能器和出水端超声波换能器，管体的管腔由进水流腔、中部流腔和出水流腔构成，所述进水流腔的中心轴线处的水平截面为矩形，其宽度与中部流腔的中心轴线处的水平截面的宽度相等；进水流腔的中心轴线处的垂直截面为梯形，其前端宽度与中部流腔的中心轴线处的垂直截面的宽度相等，其后端宽度与中部流腔的中心轴线处的水平截面的宽度相等。这种结构的实质性不足是：为了保证测量精度，超声波流量计的换能器之间的距离必须保证足够的有效长度，无形中加长了测量管段的长度，导致在年检或故障检测时，必须将测量管段连同整表从管路上拆卸，才能检定或维修、更换，导致更换成本增大。

而为了使得更换成本降到最低，虽然专利号：ZL2004 2 0111534.3/ZL 2005 2 0086674.3/ZL 2008 2 0102881.8公开了几种可拆式机械表，可在不拆卸管路上的表体管件的条件下，直接拆装机械表的机芯进行调校和更换机芯，一定程度的降低了使用维护成本。但机械表不能测量极小的流量；数据处理、传输不能满足智能化无人化的需求；目前常规的方式还是整表更换电磁式或超声波式仪表，但是更换成本高，安装成本高。

到目前为止，制造成本高、维护操作难与计量精度低、准确度低这几个问题还无法在一种流量计上得到解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种结构新颖、结构紧凑、测量精度高、抗表前干扰、拆装更换部件方便、维护成本低、模块化程度高、安装成本低的具有采集切向速度测量流量的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种具有采集切向速度测量流量的方法，其特征在于通过测量管体内流体进入端设有的切向流生成器将沿测量管体轴向直线流动的流体经过切向流生成器产生变向形成周向旋转流动的流体，通过超声波测速部件采集旋转流动的流体的切向流速度信号信息，并上传至计算器中进行计算，使相对应的超声波测速部件在短于最短的标准轴向安装距离时，其收发路径能够根据需要任意加长，不但具有占用空间小、制造成本低的作用，而且，还显著提高了测量精度高。

一种具有采集切向速度测量流量的装置，包括测量管体，所述测量管体内设有超声波测速部件，其特征在于所述测量管体内流体的进入端设有切向流生成器，以使进入测量管体内轴向直线流动的流体经过切向流生成器产生变向形成周向旋转流动，所述切向流生成器是由叶片轴环、切向流固定环和叶片旋翼组成，所述切向流固定环固定在测量管体端部，所述叶片轴环和切向流固定环同心设置，所述叶片轴环和切向流固定环间圆周阵列设有叶片旋翼，所述叶片旋翼的导流面与流体的进入方向相倾斜，以利于通过倾斜的叶片旋翼将流体的轴向流动转变成周向旋转流动，使相对应的超声波测速部件在短于最短的标准轴向安装距离时，其收发路径能够根据需要任意加长，不但具有占用空间小、制造成本低的作用，而且，还显著提高了测量精度高。

本发明所述叶片旋翼的导流面与测量管体内流体进入方向的倾斜角度在15°~75°，以利于通过叶片旋翼将轴向直线流动的流体转变成周向旋转流动的流体，以达到改变流体方向的作用。

本发明所述叶片旋翼可以采用扭曲曲面，即所述叶片旋翼的叶片根部与测量管体轴线的倾斜角度为5°~45°，叶片旋翼的外端与测量管体轴线的倾斜角度为35°~75°，所述叶片旋翼1由叶片根部的5°~45°逐渐向叶片外部的35°~75°圆滑扭曲过渡而成，所述叶片旋翼迎流端c边缘圆滑突起，且导流面和背流面经圆角过渡连接，所述叶片后端d边缘圆滑凹线，叶片的背流面e后端为升角f，以达到在低压力损失的条件下，将轴向流动的流体导流产生相同切向圆周运动的作用。

本发明可在所述叶片轴环的流体进入端设有分流锥体，所述分流锥体的轴向剖面呈抛物线形，以利于对轴向流动的流体进行分流，并通过相邻叶片旋翼间隙进入到流量测量安装环体内，达到分流的作用。

本发明可在所述分流锥体后端沿所述测量管体轴心轴向延伸形成稳流轴，以利于通过稳流轴将叶片旋翼导流后变向的流体进行稳流，使稳流轴两侧的超声波换能器测得的精度更为精确。

本发明所述测量管体可以呈环状，也可以呈管状，所述测量管体两侧分别经卡扣与切向流生成器的切向流固定环固定连接，以达到不拆卸管路，即可检定或更换超声波机芯的作用。

当所述测量管体呈环状时，本发明所述超声波测速部件中的反射面可沿测量管体内壁周向设置，所述反射镜可以采用镜面沿测量管体内壁周向设置，也可以在测量管体内壁周向通过机械加工成镜面，所述超声波测速部件的超声波换能器在测量管体上周向设置，使所述超声波换能器和反射面反射的收发路径在测量管体的同一横断面上，以达到对经过切向流生成器变向后周向旋转的流体通过超声波换能器将超声波信号在反射面反射或多次反射后到达另一超声波换能器中，使收发路径根据需要任意加长，达到显著提高测量精度的作用，再通过测量与流体旋转方向顺向或逆向流动的时间差来推算出流体的流速和流量，不但解决了小流量难以精确计量的实质性技术问题，而且还大大节约了现有技术中在测量管体上轴向设置多组换能器测量的设备成本和安装成本。

当所述测量管体呈管状时，所述测量管体内的超声波测速部件的安装方式为现有技术，此不再赘述。

本发明由于采用上述结构，具有结构新颖、结构紧凑、测量精度高、抗表前干扰、拆装更换部件方便、维护成本低、模块化程度高、安装成本低等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是图1的一种实施例的左视图。

图3是图1的另一种实施例的左视图。

图4是本发明实施例的立体结构示意图。

图5是图4的分解结构示意图。

图6 是本发明中叶片旋翼的立体结构示意图。

图7是图6的右视图。

图8是本发明切向流生成器的立体结构示意图。

附图标记：叶片旋翼1、超声波换能器组2、超声波换能器2-1、超声波换能器2-2、反射面3、测量管体4、分流锥体5、表体6、叶片轴环7、流量测量安装环体8、稳流轴9、叶片旋翼固定环10、收发路径11切向流生成器12、切向流固定环13卡扣14密封盖15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

一种具有采集切向速度测量流量的方法，其特征在于通过测量管体内流体进入端设有的切向流生成器将沿测量管体轴向直线流动的流体经过切向流生成器产生变向形成周向旋转流动的流体，通过超声波测速部件采集旋转流动的流体的切向流速度信号信息，并上传至计算器中进行计算，使相对应的超声波测速部件在短于最短的标准轴向安装距离时，其收发路径能够根据需要任意加长，不但具有占用空间小、制造成本低的作用，而且，还显著提高了测量精度高。

如附图1、2、3所示，一种具有采集切向速度测量流量的装置，包括测量管体，所述测量管体内设有超声波测速部件，其特征在于所述测量管体4内流体的进入端设有切向流生成器12，以使进入测量管体4内轴向直线流动的流体经过切向流生成器12产生变向形成周向旋转流动，如附图8所示，所述切向流生成器12是由叶片轴环7、切向流固定环13和叶片旋翼1组成，所述切向流固定环13固定在测量管体端部，所述叶片轴环7和切向流固定环13同心设置，所述叶片轴环7和切向流固定环13间圆周阵列设有叶片旋翼1，所述叶片旋翼1的导流面与流体的进入方向相倾斜，以利于通过倾斜的叶片旋翼将流体的轴向流动转变成周向旋转流动，使相对应的超声波测速部件在短于最短的标准轴向安装距离时，其收发路径能够根据需要任意加长，不但具有占用空间小、制造成本低的作用，而且，还显著提高了测量精度高。

本发明所述叶片旋翼1的导流面与测量管体内流体进入方向的倾斜角度在15°~75°，以利于通过叶片旋翼1将轴向直线流动的流体转变成周向旋转流动的流体，以达到改变流体方向的作用。

如附图6、7所示，本发明所述叶片旋翼1可以采用扭曲曲面，即所述叶片旋翼1的叶片根部与测量管体轴线的倾斜角度为5°~45°，叶片旋翼1的外端与测量管体轴线的倾斜角度为35°~75°，所述叶片旋翼1由叶片根部的5°~45°逐渐向叶片外部的35°~75°圆滑扭曲过渡而成，所述叶片旋翼迎流端c边缘圆滑突起，且导流面和背流面经圆角过渡连接，所述叶片后端d边缘圆滑凹线，叶片的背流面e后端为升角f，以达到在低压力损失的条件下，将轴向流动的流体导流产生相同切向圆周运动的作用。

本发明可在所述叶片轴环7的流体进入端设有分流锥体5，所述分流锥体5的轴向剖面呈抛物线形，以利于对轴向流动的流体进行分流，并通过相邻叶片旋翼1间隙进入到流量测量安装环体内，达到分流的作用。

本发明可在所述分流锥体5后端沿所述测量管体4轴心轴向延伸形成稳流轴9，以利于通过稳流轴9将叶片旋翼1导流后变向的流体进行稳流，使稳流轴9两侧的超声波换能器2测得的精度更为精确。

本发明所述测量管体可以呈环状，也可以呈管状，所述测量管体两侧分别经卡扣与切向流生成器的切向流固定环固定连接，以达到不拆卸管路，即可检定或更换超声波机芯的作用。

如附图2、3、4、5所示，当所述测量管体呈环状时，本发明所述超声波测速部件中的反射面可沿测量管体内壁周向设置，所述反射镜3可以采用镜面沿测量管体内壁周向设置，也可以在测量管体内壁周向通过机械加工成镜面，所述超声波测速部件的超声波换能器在测量管体上周向设置，使所述超声波换能器2和反射面3反射的收发路径11在测量管体的同一横断面上，以达到对经过切向流生成器变向后周向旋转的流体通过超声波换能器将超声波信号在反射面反射或多次反射后到达另一超声波换能器2-2中，使收发路径根据需要任意加长，达到显著提高测量精度的作用，再通过测量与流体旋转方向顺向或逆向流动的时间差来推算出流体的流速和流量，不但解决了小流量难以精确计量的实质性技术问题，而且还大大节约了现有技术中在测量管体上轴向设置多组换能器测量的设备成本和安装成本。

当所述测量管体呈管状时，所述测量管体内的超声波测速部件的安装方式为现有技术，此不再赘述。

本发明在安装安装时，先在测量管体内圆周安装反射面，所述反射面3可以采用镜面沿测量管体内壁周向镶嵌，也可以将流量测量安装环体8内壁周向通过机械加工成镜面，将超声波测速部件的超声波换能器2沿测量管体圆周设置，然后将切向流生成器经卡扣14固定在测量管体上，并将固定有切向流生成器的测量管体密封安装在表体6内，最后将超声波换能器2与计算器相连接。

本发明在测量流体时，流体进入测量管体中，分流锥体5将轴向流动的流体分流，分流的流体顺着相邻叶片旋翼1的间隙流入并在流体的压力作用下被倾斜的叶片旋翼1变向形成周向旋转的流体，同时，旋转的流体在测量管体内被稳流轴9稳流后，沿着稳流轴9和测量管体间隙周向旋转，此时，一超声波换能器将超声波信号发射给反射面3，超声波换能器2-1通过测量管体内壁圆周设有的反射面3的反射或周向多次反射后到达另一超声波换能器2-2中，再通过超声波换能器2-2逆向发射、反射并被超声波换能器2-1接收，使超声波信号在测量管体内沿周向流动的流体旋转方向圆周长距离运行，再通过计算器采集到流体旋转方向顺向或逆向流动的时间，从而使时差的信息加倍累积，并上传至计算器，计算器通过时间与时间的差值，计算出流体的周向流速和流量，不但显著提高了测量精度，而且大大节约了现有技术中为了提高测量精度，需要加长轴向测量距离，进而加长测量管体的实质性不足，大大节约了设备成本和更换成本。

当需要维护仪表时，打开表体上的密封盖，将测量管体与切向流生成器之间的卡扣打开，即可将测量管体和/或切向流生成器从表体中取出，将损坏零件进行更换；当需要复检定仪表时，打开表体上的密封盖，可将测量管体和切向流生成器一起取出，再安装经过检定的新的测量管体和切向流生成器，并通过密封盖和固定座密封固定。

如附图3所示，本发明的一种实施例，所述测量管体内设置有五块反射面（镜），使超声波信号在反射面的作用下，在流体旋转方向形成更长距离的运行，从而使采集的时间信息的数量级加大，计算的时间与时间差放大，显著提高了小流量测量精度，替代了现有技术通过在测量管体上轴向增加多组换能器来精确测量轴向速度的实质性不足。

附图4所示，在表体内沿流体进入端沿轴向依次固定有前切向流生成器、测量管体、后切向流生成器，所述前切向流生成器和后切向流生成器经卡扣将流量测量安装环体固定在一起，以利于实现对流体进行双向计量，在装配机芯时，流量测量安装环体和切向流生成器的切向流固定环安装在表体的流量测量装置安装槽中，然后，通过密封盖将周向测量的超声波流量测量装置固定在表体内，当需要检定或损坏维修时，无需将表体从管路连接上拆卸，只需打开密封盖，将流量测量安装环体和切向流生成器一起取出，再安装经过检定的新的流量测量安装环体和切向流生成器，再将密封盖与固定座密封固定即可。

本发明由于采用上述结构，具有结构新颖、结构紧凑、测量精度高、抗表前干扰、拆装更换部件方便、维护成本低、模块化程度高、安装成本低等优点。