一种基于超声波旁流原理的气体流量测量装置及方法与流程

本发明涉及气体流量检测领域，尤其涉及一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置及方法，属新型计量器械测量领域。

背景技术：

目前对气体流量的测量中,气体的腐蚀、水分的冷凝的干扰、大管径气体流场的不均匀性，气体的超量程的适应性等是不同气体流量测量原理所面临的不同挑战。差压式气体流量计：测量精度普遍偏低，测量范围窄，对现场直管段要求高、压损过大，超量程甚至会损坏测量元件，腐蚀性气体对差压元件也具有腐蚀的风险；涡街气体流量计：量程比较小，受震动影响大，小量程段测量不稳定，几乎无法测量，且传感元件耐腐蚀性较差；热式气体流量计：优点是量程比很宽，微小流量具有很好优势，其主要缺陷是气体浓度变化会对流量造成影响，需要气体成分的辅助分析来测量体积流量，采用不锈钢的探头的热式气体流量计抗腐蚀性好，但是响应速度慢，采用mems热式传感器主流(mainstream)或者旁流(sidestream)的热式气体流量计：例如文献us6779395b2，提出一种用于测量旁路中气体或液体流量的装置，首次提出了应用旁路解决大管径流体的测量方案，其响应速度快，但是抗腐蚀性差，抗污染性差；超声波气体流量计：可以达到类似热式流量计的高量程比，1:160的量程比依然可以获得很高的精度。能够适宜腐蚀性气体，例如沼气的流量测量。相比热式气体流量计，超声波气体流量计测量体积不受气体成分的影响的。相比差压式和涡街气体流量计，超声波气体流量计几乎没有压损，无机械可动部件，长期运行无须特殊维护，便于安装，稳定可靠。此外，超声波流量计在测量气体流量的同时，对于某些场合，还可以同时测量成分，例如文献cn103454344a，在国内首次提出了应用超声波原理，可解决气体成分与流量的同时测量，但目前的超声波气体流量计面临的几个挑战是：(1)在高超声波吸收的气体中，例如在高浓度co2的沼气和高浓度co2天然气中，超声波的信号由于能量吸收信号非常小，容易造成误差甚至错误，管径越大，问题越严重。(2)应用在大管径场合时，不能保证截面流场分布均匀性，造成测量误差，(3)测量管道存在水分冷凝时，例如在沼气领域，测量从发酵罐出来的沼气，由于水分冷凝的问题不能及时排除，将会造成超声波探头渍水，导致测量精度下降甚至测试失效。

通过对现有技术分析发现，运用超声波技术测量气体流量优势较明显(宽量程比，压阻小，还可以测量成分等)，但目前亟待解决超声波气体测量技术应用在高水分气体例如沼气成分的测量领域，以及大管径、高超声波能吸收气体等领域的气体流量测试问题。

技术实现要素：

基于以上问题，本发明提出一种基于超声波旁流原理的气体流量测量装置及方法，通过在主管道一侧设置旁流管道，并且在主管道内设置阻流件构成限流通道；可选择在限流通道阻流件处开孔，可减少冷凝水分在管道内滞留，能够消除水分对测量的影响；通过在旁流管道设置超声波探头，测量旁流管道超声波顺流和逆流的时间差值，应用最小二乘法，确定旁流管道时间差值对应的主管道标准流量值之间的单调递增关系，可以测量气体流量。应用该发明：(1)可有效解决冷凝水分可能对超声波气体流量计的影响；(2)对于大管径的气体流量测量领域，对流场的均匀性要求大大降低；(3)对于高超声波吸收的气体中，例如高浓度co2的沼气和高co2天然气中，即使主管径的管径成倍增长，旁流管道的测量装置可以不变化或者变化很小，这样在含高超声波能量吸收气体的旁流管道中，一旦确定合适的结构，就可以固定下来，而不需根据主管道的管径变化而变化，这样可以实现超声波气体流量计测量部分的标准化，使得超声波气体流量计的适应性，容错性更强，精度更高。

本发明通过下述技术方案得以解决：

一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，其特征是：包括主管道、旁流管道，主管道与旁流管道连通，旁流管道位于主管道的侧面，主管道内设置至少一个阻流件，形成限流通道，旁流管道内设置超声波传感器，主管道、旁流管道、限流通道共同形成检测气道。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，所述阻流件成对设置，且设置在主管道内壁的上下部分。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，主管道与旁流管道通过至少两个辅助管道连通，阻流件设置在辅助管道与主管道的两个连通口之间，主管道中位于两个连通口之间的管道形成阻流通道。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，阻流件与主管道呈对称、或与管壁成夹角设置，形成限流通道。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，在主管道内壁下部的阻流件上开有贯穿整个阻流件的水槽。

一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，其特征是：包括主管道、旁流管道，主管道与旁流管道连通，旁流管道位于主管道的侧面，主管道与旁流管道通过至少两个辅助管道连通，辅助管道一端深入主管道内并向前延伸，辅助管道向前延伸的一端设有限流通道，旁流管道内设置超声波传感器，主管道、旁流管道、限流通道共同形成检测气道。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，辅助管道向前延伸的一端设有两个对称，且与辅助管道向前延伸的一端呈直角或呈夹角设置的两个阻流管，两个阻流管一端分别与两个辅助管道连通，且两个阻流管的另一端开口且分别各自向主管道的两端延伸，该两个阻流管为限流通道。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，辅助管道向前延伸的一端设有一个与主管道管壁平行或呈夹角设置的一个阻流管，辅助管道向前延伸的一端与阻流管连通，阻流管的两端开口且分别向主管道的两端延伸，该阻流管为限流通道。

一种采用基于超声波旁流原理的气体流量检测装置进行气体流量检测的方法，其特征是：包括以下步骤：

a.通过旁流管道、限流通道实现对主管道气体分流，一部分气体在旁流管道流通；另一部分气体在限流通道流通；

b.通过超声波传感器，测试旁流管道中顺流时间和逆流时间，计算超声波在旁流管道顺流时间和逆流时间差值；

c.通过标准气体流量装置读取超声波在旁流管道时间差值对应的主管道标准流量值；

d.通过计算拟合出时间差值与主管道标准流量值的单调递增函数关系；

e.实际测量时，依据时间差值与主管道标准流量值的单调递增函数关系，确定主管道气体的实际流量。

本发明的优势：本发明既借鉴了差压式气体流量计结构简单，流场均匀性要求较低的优点，也借鉴了超声波气体流量计高量程比、耐腐蚀、甚至可以同时测量成分的优点。通过本发明：(1)可有效解决冷凝水分可能对超声波气体流量计的影响；(2)对于大管径的气体流量测量领域，对流场的均匀性要求大大降低；(3)对于高超声波吸收的气体中，例如高浓度co2的沼气和高co2天然气中，即使主管径的管径成倍增长，旁流管道的测量装置可以不变化或者变化很小，这样在含高超声波能量吸收气体的旁流管道中，一旦确定合适的结构，就可以固定下来，而不需根据主管道的管径变化而变化，这样可以实现超声波气体流量计测量部分的标准化，使得超声波气体流量计的适应性，容错性更强，精度更高。

附图说明

图1为第1种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置示意图。

图2为第2种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置示意图。

图3为第3种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置示意图。

图4为第4种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置示意图。

图5为第5种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置示意图。

图6为第6种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置示意图。

图7a为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——超声传感器4安装方式1的示意图。

图7b为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——超声传感器4安装方式2的示意图。

图7c为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——超声传感器4安装方式3的示意图。

图7d为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——超声传感器4安装方式4的示意图。

图8a为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——排水孔或槽5第1中位置主视图。

图8b为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——排水孔或槽5第2中位置主视图。

图8c为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——排水孔或槽5第3中位置主视图。

图8d为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——排水孔或槽5第4中位置主视图。

图8e为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——排水孔或槽5第5中位置主视图。

图8f为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——排水孔或槽5第6中位置主视图。

图9a为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——阻流件3形状1的主视图。

图9b为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——阻流件3形状2的主视图。

图9c为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——阻流件3形状3的主视图。

图9d为基于超声波旁流原理的气体流量检测装置——阻流件3形状4的主视图。

图10为基于超声波旁流原理的气体流量检测方法实施例一拟合图。

图11为基于超声波旁流原理的气体流量检测方法实施例二拟合图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。附图说明：1—主管道；2—旁流管道；3—阻流件；4—超声波传感器；5—排水孔或槽；6—限流通道。

实施例1

一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，包括设置主管道1、旁流管道2，主管道1与旁流管道2连通，旁流管道2位于主管道1的一侧或者上部，沿着主管道1内壁上下对称设置两个的阻流件3，旁流管道2内设置超声波传感器4，主管道1、旁流管道2、阻流件3共同形成检测气道。

在主管道1内侧轴向设置两个弧形或方形或梯形阻流件，如附图1—3所示。

在主管道1底部阻流件3处开排水孔或槽5，如附图8中a、b、c、d可设置1个排水孔或槽，也可为附图8中e、f可设置2—3个排水孔或槽。

超声波传感器4可设置为如附图7所示的：a:直射型，b:x型(0°＜θ＜180°)，c：v型(0°＜θ＜90°)，d：w型(0°＜θ＜90°)。

测量步骤是：

a.通过旁流管道2、限流通道6实现对主管道1气体分流，一部分气体在旁流管道2流通；另一部分气体在限流通道6流通；

b.通过超声波传感器4，测试旁流管道2中顺流时间t1和逆流时间t2，计算顺流时间和逆流时间差值δt；

c.通过气体流量标准装置读取时间差值δt对应的主管道1标准流量值q1；

d.通过最小二乘法计算拟合出时间差值δt与主管道标准流量q1的单调递增关系:

δt与q1的单调递增关系可为线性关系或非线性关系；如：

q1＝anδtⁿ+an-1δt^n-1+...+a1δt+a0(n为非负整数)

an、an-1...a0为待定系数；

选择在20℃、标准大气压(101.3kpa)条件下，主管道1内径50mm、旁流管道2内径12mm、超声波传感器4声道长度35mm，阻流件采用图1所示圆弧，其中阻流件为直径60mm，弧度为(80-85°)的圆弧；计时精度为0.1ns，测试结果如下：

表一

根据表一数据可以拟合出如附图10的关系式，n＝2,可得出：

an＝a2＝0.00001787，an-1＝a1＝-0.00849269,a0＝4.47160823

则：q1＝0.00001787*δt²-0.00849269*δt+4.47160823；

e.实际测量时，依据时间差值δt与主管道标准流量值q1的单调递增关系，确定主管道气体的实际气体流量。

实施例2

一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，包括设置主管道1、旁流管道2，主管道1与旁流管道2连通，旁流管道2位于主管道1的一侧或者上部，沿着主管道1内壁上下对称设置两个的阻流件3，旁流管道2内设置超声波传感器4，主管道1、旁流管道2、阻流件3共同形成检测气道。

在主管道1内侧轴向设置两个弧形或方形或梯形阻流件，如附图1—3所示。

超声波传感器4可设置为如附图7所示的：a:直射型，b:x型(0°＜θ＜180°)，c：v型(0°＜θ＜90°)，d：w型(0°＜θ＜90°)。

测量步骤是：

a.通过旁流管道2、限流通道6实现对主管道1气体分流，一部分气体在旁流管道2流通；另一部分气体在限流通道6流通；

b.通过超声波传感器4，测试旁流管道2中顺流时间t1和逆流时间t2，计算顺流时间和逆流时间差值δt；

c.通过标准装置读取时间差值对应的主管道1标准流量值；

d.通过计算拟合出时间差值δt与主管道标准流量q1的单调递增关系:

δt与q1的单调递增关系可为线性关系或非线性关系，如：

q1＝anδtⁿ+an-1δt^n-1+...+a1δt+a0(n为非负整数)

an、an-1...a0为待待定系数；

选择在20℃、标准大气压(101.3kpa)条件下，主管道1内径100mm、旁流管道2内径12mm、超声量传感器4声道长度35mm，阻流件采用图1所示，其中阻流件为直径80mm，弧度为(100-104°)的圆弧；计时精度为0.1ns，测试结果如下：

表二

根据表二数据可以拟合出如附图11的关系式，n＝1可得出：

an＝a1＝-0.18421846，a0＝-75.15928864

则：q1＝-0.18421846*δt-75.15928864；

e.实际测量时，依据时间差值δt与主管道标准流量值q1的单调递增关系，确定主管道气体的实际流量。

实施例3

如附图4、5所示：旁流管道2的部分作为阻流件3，设置在主管道1内，旁流管道2内设置超声波传感器4。

如附图6所示：旁流管道2位于主管道1的一侧，沿着主管道1气流平行方向设置若干个排布密集阻流件3，阻流件3为若干个两端开放的小管子，如附图9的a、b所示；

阻流件3还可设置为梳齿状，如附图9的c、d所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。