气液两用超声流量计的制作方法

本实用新型涉及一种计量装置结构技术，尤其涉及一种气液两用超声流量计。

背景技术：

随着能源开采量的日益提高，准确计量油田、气田的产量越来越重要。目前，通常采用超声流量计来计量油田、气田的产油量、产气量。

根据计量介质的不同，超声流量计可以分为气体超声流量计和液体超声流量计。其原理为，流量计通过第一换能器发射一束超声波，超声波在管道内传播，经反射到达第二换能器，第二换能器接收信号，此为一个单一声程；第二换能器接收到信号后立即再发送一束超声波，由第一换能器接收；超声波的传播以管内介质为载体，当介质流动时，两次传播过程会随着介质的流动而产生时间差，时间差经过数学模型计算后，得出介质的流量。目前大多数超声流量计只能计量单一介质。

然而，在能源开采过程中，人们发现常常会出现气液混合的现象。在此情况下，必须通过增加分离装置进行气液分离，分离后的气体使用气体超声流量计进行计量，液体使用液体超声流量计进行计量，最后再汇入一根管道内进行输送，极大地增加了生产成本。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种气液两用超声流量计，以实现便捷化地同时检测气量和液量。

本实用新型实施例提供了一种气液两用超声流量计，包括：

测量管；

至少两个气体换能器，安装于测量管的管壁上，用于发射并接收超声波，以测量所述测量管内部的气体流量；

至少两个液体换能器，安装于测量管的管壁上，用于发射并接收超声波，以测量所述测量管内部的液体流量；

控制器，用于分别接收气体换能器和液体换能器检测到的超声波信号，并进行信号处理，从而确定气体流量和液体流量。

上述气液两用超声流量计，进一步的：所述气体换能器和所述液体换能器以V型安装在测量管的管壁上，即所述的至少两个换能器安装在管壁的同一侧。

上述气液两用超声流量计，进一步的：所述气体换能器和所述液体换能器以入射角θ安装在测量管的管壁上。

上述气液两用超声流量计，进一步的：所述气体换能器和所述液体换能器以非侵入方式安装在测量管的管壁上。

上述气液两用超声流量计，进一步的：所述气体换能器的超声波反射平面，与所述液体换能器的超声波反射平面相互垂直。

上述气液两用超声流量计，进一步的：所述气体换能器的超声波中心频率和所述液体换能器的超声波中心频率不同。

上述气液两用超声流量计，进一步的：所述控制器至少包括：

ARM处理器，用于接收从按键输入的参数，计时超声波的传播时间，控制整个电路；

放大器，用于固定增益放大或自动增益放大超声波换能器接收的超声波信号，使得放大后的信号的幅值保持在同一数量级；

滤波器，用于减小超声波信号中的干扰信号；

A/D转换器，用于将采样到的超声波信号转化为数字信号，实现与ARM处理器之间进行数据传输；

脉冲端，用于输出瞬时流量、温度、压力、声速等的脉冲信号，供用户使用；

电流端，用于输出瞬时流量、温度、压力、声速等的4～20mA电流信号，供用户使用；

显示器，用于从ARM处理器接收流量计各种参数、流速、流量、工作状态等信息并进行显示；

RS485，用于与上位机进行通讯；

按键，用于接收输入的信息，实现人机对话；

电源，用于为控制器提供电源；

温度传感器，用于采集工况温度；

压力传感器，用于采集工况压力。

本实用新型提供的气液两用超声流量计，解决了现有超声流量计对计量介质类别的限制性问题，实现了便捷化地同时检测气量和液量。

附图说明

图1是本实用新型实施例一提供的气液两用超声流量计的结构示意图。

图2是本实用新型实施例二提供的气液两用超声流量计中换能器安装剖面图。

图3是本实用新型实施例三提供的气液两用超声流量计中控制器硬件结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1所示为本实用新型实施例一提供的气液两用超声流量计的结构示意图。该气液两用超声流量计的具体结构如下：

气液两用超声流量计包括测量管100、至少两个气体换能器101，102、至少两个液体换能器103，104和控制器105。

其中，至少两个气体换能器101，102，安装于测量管100的管壁上，用于发射并接收超声波，以测量所述测量管100内部的气体流量；

至少两个液体换能器103，104，安装于测量管100的管壁上，用于发射并接收超声波，以测量所述测量管100内部的液体流量；

控制器105，用于分别接收气体换能器101，102和液体换能器103，104检测到的超声波信号，并进行信号处理，从而确定气体流量和液体流量。

该气液两用超声流量计的工作原理为：

气体换能器101发射一束超声波，超声波在管道内传播，经反射到达气体换能器102，后气体换能器102立即再发送一束超声波，由气体换能器101接收。气体换能器101，102将接收到的超声波转化为电信号，发送给控制器105，控制器105接收气体换能器的超声波信号，并进行信号处理。超声波的传播以管内介质为载体，当介质流动时，两次传播过程会随着介质的流动而产生时间差，时间差经过控制器105解算后，得出气体流量。

气体流量测算完毕后，液体换能器103发射一束超声波，超声波在管道内传播，经反射到达液体换能器104，后液体换能器104立即再发送一束超声波，由液体换能器103接收。液体换能器103，104将接收到的超声波转化为电信号，发送给控制器105，控制器105接收液体换能器103，104的超声波信号，并进行信号处理。时间差经过控制器105解算后，得出液体流量。

本实施例的技术方案，通过气液两用超声流量计，解决了现有超声流量计对计量介质类别的限制问题，实现了便捷化地同时检测气量和液量。

在上述技术方案的基础上，所述气体换能器101，102的超声波中心频率和所述液体换能器103，104的超声波中心频率不同。

超声波的频率在很大程度上影响着超声波的传播，超声波的频率越高，声束扩散角越小，能量越集中，方向性越好。但是过高的频率会使超声波的衰减增强。同时，超声波在气体中的传播速度小于在液体中的传播速度，所以气体换能器的超声波中心频率一般小于液体换能器的超声波中心频率。气体换能器的超声波中心频率一般为100KHz～200KHz，液体换能器的超声波中心频率一般为0.5MHz～2MHz。

在本实施例中，气体换能器的超声波中心频率优选为200KHz，液体换能器的超声波中心频率优选为1MHz。这样设置的好处在于保证了超声波具有较好的方向性，较高的能量，并且适用于介质载体。

实施例二

图2所示为本实用新型实施例二提供的气液两用超声流量计中换能器安装剖面图。本实施例在上述各实施例的基础上，所述气体换能器101，102和所述液体换能器103，104优选地以V型安装在测量管100的管壁上，即所述的至少两个换能器安装在管壁的同一侧。这样设置的好处在于既保证了波的传播方向又可以扩大声程，提高了系统的分辨率，同时，减少了流速断面分布不均匀造成的误差，以及超声波在声道中多次反射引起的对测量的干扰。

在上述各实施例的基础上，所述气体换能器101，102和所述液体换能器103，104优选地以入射角θ安装在测量管100的管壁上。由于超声波入射时在管壁及流体界面处都会发生折射，会转换成两束纵波在流体中传播，为提高换能器接收信号的选择性，一般入射角大于第一临界角而小于第二临界角。一般入射角选取28.7°～60°。在本实施例中，入射角θ优选为45°，这样设置的好处在于保证仅一束超声波被换能器接收。

在上述各实施例的基础上，所述气体换能器101，102和所述液体换能器103，104优选地以非侵入方式安装在测量管100的管壁上，即换能器探头前端并不伸入测量管中。这样设置的好处在于防止换能器被液体、污垢侵蚀，延长了换能器的使用寿命。

在上述各实施例的基础上，优选地，所述气体换能器101，102的超声波反射平面，与所述液体换能器103，104的超声波反射平面相互垂直。这样设置的好处在于使超声流量计整体更加美观。

实施例三

图3所示为本实用新型实施例三提供的气液两用超声流量计中控制器硬件结构图。所述控制器的具体结构如下：

控制器包括ARM处理器300、放大器301、滤波器302、A/D转换器303、脉冲端304、电流端305、显示器306、RS485307、按键308、电源309、温度传感器310和压力传感器311。

其中，ARM处理器300，用于接收从按键308输入的参数，计时超声波的传播时间，控制整个电路；

放大器301，用于固定增益放大或自动增益放大超声波换能器接收的超声波信号，使得放大后的信号的幅值保持在同一数量级；

滤波器302，用于减小超声波信号中的干扰信号；

A/D转换器303，用于将采样到的超声波信号转化为数字信号，实现与ARM处理器300之间进行数据传输；

脉冲端304，用于输出瞬时流量、温度、压力、声速等的脉冲信号，供用户使用；

电流端305，用于输出瞬时流量、温度、压力、声速等的4～20mA电流信号，供用户使用；

显示器306，用于从ARM处理器300接收流量计各种参数、流速、流量、工作状态等信息并进行显示；

RS485307，用于与上位机进行通讯；

按键308，用于接收输入的信息，实现人机对话；

电源309，用于为控制器提供电源；

温度传感器310，用于采集工况温度；

压力传感器311，用于采集工况压力。

该控制器的工作原理为：

ARM处理器进行参数配置和初始化设置后，对定时器进行清零，并同步发出200V单正弦波的激励信号触发换能器101发射超声波脉冲，同时使定时器开始计时。在换能器102接收到脉冲信号后，使定时器停止计时。这个过程可以得到超声波在气体中的顺流传播时间，用同样的方法可以得到超声波在气体中的逆流传播时间，以及在液体中的顺逆流传播时间。顺逆流的传播时间经数字滤波计时进行滤波处理后，ARM处理器根据实际情况计算出相应的流速和流量，送到液晶显示器上显示出来，通过RS485接口实现与上位机的通讯。瞬时流量、温度、压力、声速等信息可通过脉冲输出端和电流输出端输出，供用户使用。

控制器通过温度传感器和压力传感器对工况温度和压力进行采集，根据设定的压缩因子，可计算出标况下的气体流量，实现温压补偿功能。

控制器根据超声波信号强度和回波时间，判断超声波换能器是否处于正常状态，实现自诊断功能。

本实施例的技术方案，通过控制器对超声波信号进行控制和处理，解决了解算气体流量和液体流量的问题，实现了介质流量的输出。

上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。