一种基于超声波时差法的多声道流量测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种流体的流量测量装置，特别涉及一种基于超声波时差法的多声道流量测量装置。

背景技术：

流量是工业生产过程检测控制中的一个很重要的参数，在石油、化工、水电等部门，对流体流量的检测已成为生产中不可缺少的组成部分，它与国民经济、国防建设、科学研究有着密切的关系。做好这一工作，对保障生产安全、提高生产效率、保证产品质量以及提高经济效益都具有重要的作用，特别是在能源危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量测量在国民经济中的地位与作用更加明显。

在实际的工程应用中，由于经济性以及现场布置等原因，现场相对直管段长度不足，导致管道内流态分布复杂，无法保证管道内流体的流动处于充分发展段，为管道内流量的测量带来了巨大的麻烦。超声波流量计与传统流量计相比，具有非接触测流、不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等优点，其中最为重要的是可用于大口径管道流量的测量，并能够保持较高的精度。

然而，由于超声波流量计的测量模型在推导之初假设被测流场是均匀的，忽略流体粘性的理想流动，但在实际测量过程中，流场是复杂的非理想流动，这就导致了超声波流量计测得流速与实际面平均流速存在差异，这就造成了超声波流量计的测量精度易受流场流速分布的影响。因此，亟需发明一种在非稳态流场中测量精度高且测量性能稳定性好的的超声波流量测量装置以测量方法。

一直以来，超声波流量测量技术领域的测量装置和测量方法大多被国外科研机构和企业的专利所垄断。针对国家重大需求，发展具有自主知识产权的超声波流量测量装置和测量方法具有重要的现实意义。

本实用新型的内容：

为了解决上述问题，本实用新型提出一种安装使用更少数量的超声波换能器，能够获得更多的超声波脉冲信号传播通道的多声道流量测量装置。

本实用新型的具体方案如下：一种基于超声波时差法的多声道流量测量装置，其特征是：该装置包括超声波换能器、现地单元、控制器、现场总线、防水信号电缆和计算机；待测流速的流体流动的圆柱筒形管道，在圆柱筒形管道的直径方向上设置两个不同且相平行的安装截面甲和安装截面乙，两个安装截面在圆柱形管道的轴向方向上的距离为两倍的圆柱筒形管道直径，安装截面甲上安装有超声波换能器 A1和超声波换能器A2，超声波换能器A1和超声波换能器A2的安装位置位于安装截面甲水平直径的两端，安装截面乙上安装12个超声波换能器，12个超声波换能器的安装位置以安装截面乙水平直径的一端为起点均匀地分布在安装截面乙上。

优选的，所述的超声波换能器A1和A2分别通过防水信号电缆与 1号现地单元相连接，安装截面乙上的12个超声波换能器分别通过防水信号电缆与2号现地单元相连接，1号现地单元和2号现地单元通过现场总线与控制器连接，控制器与计算机相连接。

优选的，所述的超声波换能器A1、超声波换能器A2和安装截面乙上的12个超声波换能器相同。

优选的，所述的控制器上安装有超声波换能器角度调整单元。

本实用新型的有益效果

本实用新型通过超声波换能器角度调整单元控制超声波换能器接收和发射信号的角度，由两个不同的安装截面上的14个超声波换能器一共形成了22条超声波脉冲信号传播通道，与现有技术中的超声波流量测量方法相比较，安装使用更少数量的超声波换能器，能够获得更多的超声波脉冲信号传播通道，流量测量的成本更低，在同样多的超声波换能器的前提下，能够形成更多的超声波脉冲信号传播通道，从而获取的超声波脉冲信号传播通道内流体流速分布情况更加详细，并且使用计算机控制整个流量测量过程，并且自动完成后期数据处理，提高了流量测量过程中的自动化程度，提高了测量效率和准确性。

附图说明

图1为一种基于超声波时差法的多声道流量测量装置的结构示意图；

图2为超声波声道布置示意图；

图3为一条声道流量测量方法示意图。

图中：1、圆柱筒形管道，2、防水信号电缆，3、1号现地单元，4、现场总线，5、控制器，6、计算机，7、2号现地单元，8、安装截面甲，9、安装截面乙，101、超声波换能器A1，102、超声波换能器A2,103、超声波换能器，11、超声波声道，12、圆柱筒形管道的轴线；

d表示圆柱筒形管道的直径，L表示超声波声道长度，θ表示超声波声道与圆柱筒形管道的轴线的夹角。

具体实施方式

实施案例一：

参见图1-3，一种基于超声波时差法的多声道流量测量装置，其特征是：该装置包括超声波换能器、现地单元、控制器、现场总线、防水信号电缆和计算机；待测流速的流体流动的圆柱筒形管道，在圆柱筒形管道的直径方向上设置两个不同且相平行的安装截面甲和安装截面乙，两个安装截面在圆柱形管道的轴向方向上的距离为两倍的圆柱筒形管道直径，安装截面甲上安装两个超声波换能器A1和超声波换能器A2，超声波换能器A1和超声波换能器A2的安装位置位于安装截面甲水平直径的两端，安装截面乙上安装12个超声波换能器， 12个超声波换能器的安装位置以安装截面乙水平直径的一端为起点均匀地分布在安装截面乙上；安装截面甲上的每个超声波换能器都能与安装截面乙上的超声波换能器一一对应形成11条超声波脉冲信号通道，总共22条超声波脉冲信号通道(安装截面甲上与安装截面乙上在同一管道轴线方向上的两个超声波换能器形成的超声波脉冲信号通道没有测速效果)，在有限的超声波换能器的情况下能够获得更多的超声波脉冲信号通道，并且能够简单地计算出超声波脉冲信号通道的长度，以及更精确的计算出超声波脉冲信号通道与圆柱筒形管道轴线的夹角，从而能够计算出一条声道上线平均流速，超声波换能器 A1和A2分别通过防水信号电缆与1号现地单元相连接，安装截面乙上的12个超声波换能器分别通过防水信号电缆与2号现地单元相连接，1号现地单元和2号现地单元通过现场总线与控制器连接，控制器与计算机相连接。控制器上安装有超声波换能器角度调整单元，能够调整超声波换能器发射或接收超声波脉冲信号的角度。

实施案例二：

参见图1-3，应用实施案例一所述的一种基于超声波时差法的多声道流量测量装置的测量方法，具体测量方法是：

流量测速过程中，安装截面甲上安装的超声波换能器在任意时间点只有一个超声波换能器是处于激化状态的；

①在时间点t1上，由超声波换能器角度调整单元调整超声波换能器A1发射超声波脉冲信号的角度，同时调整安装截面乙上超声波换能器接收超声波脉冲信号的角度，超声波换能器A1依次向安装截面乙上安装的12个超声波换能器发射超声波脉冲信号(与超声波换能器 A1安装在同一管轴方向的换能器除外)，发射完毕后，超声波换能器 A1调整回起始状态；

②在时间点t2上，由超声波换能器角度调整单元调整换能器A1 接收信号的角度，依次接收由安装截面乙上超声波换能器发射出的超声波脉冲信号，接收完毕后，通过计算机控制将超声波换能器A1通过程序调整为未激活状态，转而将超声波换能器A2激活；

③在时间点t3上，由超声波换能器角度调整单元调整超声波换能器A2发射超声波脉冲信号的角度，同时调整安装截面乙上超声波换能器接收超声波脉冲信号的角度，超声波换能器A2依次向安装截面乙上安装的12个超声波换能器发射出超声波脉冲信号(与换能器A2 安装在同一管轴方向的换能器除外)，发射完毕后，超声波换能器A2 调整回起始状态；

④在时间点t4上，由超声波换能器角度调整单元继续调整超声波换能器A2接收信号的角度，依次接收由安装截面乙上的超声波换能器发射的超声波脉冲信号，接收完毕后，一个测速周期结束；

⑤将测得的信号通过压电转换效应输出为相应的电信号，然后通过滤波放大以及数模转换后输出为数字信号在显示器上显示出来，就可以获得超声波脉冲信号沿22条超声波脉冲声道逆流和顺流得传播时间，最后由测得的时间数据计算出超声波脉冲信号沿各个超声波脉冲声道的逆流和顺流传播的时间差；

⑥根据圆柱筒形管道的直径d、每个脉冲信号声道的长度Li、以及每个脉冲信号声道与圆柱筒形管道轴线之间的夹角θ，根据所测得沿各个声道的逆流和顺流传播时间差，从而求解出沿各个声道上的线平均流速。

如图3所示，图中为一条声道上流体线平均流速的测量示意图。设流体静止时，超声波传播速度为C，一条声道上线平均流速V；

超声波脉冲信号正向传播时间为：

超声波脉冲信号逆向传播时间为：

由上述式可得：

由此计算得出一条声道上线平均流速V；

本方案中一共含有22条声道，因此实际面平均流速可以表示为：

式中声道数n＝22，V实为实际面平均流速，Vi为各条声道线平均流速。