专利名称：流体速度的测量方法
技术领域：
本发明涉及一种利用超声波测量流体速度的方法，特别是涉及一种精确测量在管中流动的流体的速度地方法。
背景技术：
很多工业领域使用象气体或液体的流体。例如，通过管道提供城市用气和原油，建设露天沟渠提供农业用水，在钢铁、化工和石油行业等使用循环冷水，建立供水和排水系统设施以向住户和工厂供水和排泄住户和工厂产生的污水。在这些领域，精确地调整和管理流体的流量尤为重要。
一般地，使用流量计来测量流动路径中流体的流量。近年来，已广泛使用安装在流动路径上的超声传感器，通过其接收和发送超声波来测量流体速度的方法，然后应用测得的流体速度来计算流体流量。相应地，利用超声传感器精确测量流体速度显得尤为重要。
图1为描述利用超声传感器测量流体速度的方法的示意图。请参阅图1所示，流体的流量由下面的公式确定Q＝A×VQ流体流量A流体流动路径的横截面积V流体的平均速度已知流动路径中流体的横截面积和流体速度，可容易地计算流体的流量。假定流体充满流动路径，流体的横截面积就等于流动路径的横截面积。
否则，若采用超声波多束流量计(ultrasonic_multi-beam_flow_meter)来测量流体速度，一般则基于传输时间差。更加具体的讲，在流动路径的A点和B点相互对称地安装一对超声传感器，以使线段AB与流体的流动方向构成一夹角(θ)。假定在流动路径中流体不流动时超声传感器发射的超声波在流体中的速度为C，流体的平均速度为V，两超声传感器之间的距离为L，从A发射的超声波到达B所需时间为tAB，从B发射的超声波到达A的所需时间为tBA，则tAB、tBA给定如下
tBA=LC-Vcosθ,tAB=LC+Vcosθ]]>超声波相对于流体流动的方向向前发射(从A到B)时的传输时间tAB比超声波相对于流体流动的方向向后发射(从B到A)时的传输时间tBA较短，其时间差Δt为Δt=tBA-tAB=2VLcosθC2(1-V2cosθC2)]]>由于 很小，可忽略不计，流体的平均速度为V=ΔtC22Lcosθ]]>该速度为流体在对称安装的一对超声传感器之间直线流动的速度。由流体的横截面积乘以测得的流体速度所得到的流体流量，产生很大的误差，这是因为流体的速度是变化的。
图2A描述一流体管道10，其半径为r，构成流体流动路径，其上装有5对超声传感器21，22，23，24和25。图2B为描述利用图1中流体管道10和5对超声传感器所测量的流体速度分布曲线。参见图2A，流经流动路径P管壁的流体速度V很低，而流经流动路径P中心位置的流体速度高。因此，图2B所示的流体速度分布曲线为一抛物线。如果流体流动路径P中的流体是均匀流动的，则形成的速度分布曲线对称于管道10的中心。沿着管道10的管壁流动的流体由于与管壁发生摩擦，其流速V较低，而流经流动路径P的中心位置的流体由于与管壁发生的摩擦较少，其流速V较高。因此，将流体的横截面积乘于由任意一对超声传感器测得的流体速度，是不可能计算出流体的流量的。如图2A所示，该组超声传感器沿着流动路径半径周界安装，利用每对超声传感器测得的流体速度计算出流体的平均速度，再将流体的横截面积乘于该平均速度计算出流体的流量。
按照惯例，在利用由每对超声传感器获得的流体速度计算流体的平均速度时，使用加权系数法。该加权系数法将加权系数W与由超声传感器测得的流体速度的乘积加在一起。如图2A所示，5对超声传感器21，22，23，24和25，间隔地安装在流动路径P的半径为r的周界上，所测得流体速度V1到V5。将加权系数W1到W5分别与速度V1到V5的乘积求和，计算出流体平均速度Vmean如下Vmean＝W1V1+W2V2+W3V3+W4V4+W5V5于是，将该平均速度Vmean乘于流体的(流体流动路径)横截面积A得到流体的流量如下Q＝Vmean×A＝(W1V1+W2V2+W3V3+W4V4+W5V5)×A加权系数W1到W5，由影响流体速度的系数例如摩擦系数确定，因制造商的不同而不同。
如上所示，传统的加权系数法将加权系数W乘以测得的速度V，以纠正由于流体与管道之间的摩擦、雷诺数(Reynolds_Number)引起的流体湍流(turbulent_flow)等因素所产生的速度误差。换言之，传统加权系数法是将加权系数与多对超声传感器测得的速度值相乘，计算出平均速度的代表值的近似值。相应地，这种方法不能精确地计算流动路径中流动的流体的速度的分布曲线，因此，所计算出的流体的流量具有很大的误差。
发明内容
本发明提供一测量流体速度的方法，该方法考虑流体的流动特征，将流动路径的横截面分成三部分，并提出该三部分合适的速度函数，以反应流动路径中流动的流体的实际速度分布曲线，从而提供流体速度的精确值。
根据本发明的特征，本发明所提供的测量流体的流动速度的方法包括设定半径为r的流体流动路径的一半径方向为X轴，在X轴(0≤x≤2r)上设定n个坐标(xi，i＝1，2，3...n)，分别对应于每一对在坐标xi处垂直于X轴的n条直线上的关于X轴上下对称的接收和发射超声波的超声传感器，并在流动路径上平行地安装n对超声传感器；每对安装在坐标xi(i＝1，2，3…n)上下位置的超声传感器接收和发送超声波来测量流体速度Vi(i＝1，2…n)；利用安装在X轴上点x1和点x2上下位置的超声传感器测得的速度V1和V2，应用公式V0＝V1×s1×(s2×V1/V2)2(其中0.7≤s1≤0.8以及1.1≤s2≤1.2)，计算点x＝0处的流体速度V0；利用安装在X轴上点xn-1和xn上下位置的超声传感器测得的速度Vn-1和Vn，应用公式Vf＝Vn×s1×(s2×Vn/Vn-1)2(其中0.7≤s1≤0.8以及1.1≤s2≤1.2)，计算点x＝2r处的流体速度Vf；得到一流体速度的第一函数Vi(x)，在三次样条函数插值公式中(其中x是可变量)代入xi，Vi(i＝1，2，3，4，5)，以及V0，Vf，可得到如下关于区域xi≤x≤xi+1中的流体区域速度的区域多项式(polynomial)，Vi(x)=ai-1(xi+1-x)36hi+ai(x-xi)36hi+(yihi-ai+1hi6)(xi+1-x)+(yi-1hi-aihi6)(x-xi)]]>其中，hi6ai-1+hi+hi+13ai+hi+16ai+1=yi+2-yi+1hi+1-yi+1-yihi,]]>i＝0，1，2…n-1，a-1＝an(an-1)＝0，hi＝xi+1-xi，以及Vi代表区域xi≤x≤xi+1；中的流体速度；考虑流体流动路径的管壁在区域0≤x＜xa(这里，0＜xa＜x1)中影响流体的速度，利用V0，在区域0≤x＜xa中，把x设为可变量，得到流体速度的第二函数Vj(x)＝s3×V0×(1-exp(-x/s42r))，其中，0.2≤s3≤0.4，0.005≤s4≤0.015；考虑流体流动路径的管壁在区域xb≤x＜2r(这里，0＜xb＜x2r)中影响流体的速度，利用Vf，在区域xb≤x＜2r中，把x设为可变量，得到流体速度的第三函数Vk(x)＝s3×Vf×(1-exp(-x/s42r))，其中，0.2≤s3≤0.4，0.005≤s4≤0.015；以及在区域0≤x＜xa中，应用第一函数计算流体速度，在区域xa≤x≤xb中，应用第二函数计算流体速度，在区域xb≤x＜2r中，应用第三函数计算流体速度。
xa可位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/10的地方，而xb可位于从点xf(x＝2r)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/10的地方。
i可以是1，2，3，4，和5，安装5对超声传感器，其中，x1位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/3的地方，x2位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为2r/3的地方，x3位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r的地方，x4位于从点xf(x＝2r)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为2r/3的地方，x5位于从点xf(x＝2r)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/3的地方。这里，s1＝0.734959.
s2＝1.163523.
s3＝0.29903.
s4＝0.00958.
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
参照以下所附图式，详细描述本发明的较佳实施例，则不难理解本发明以上和其它特征和优点。
图1是描述利用超声传感器测量流体速度的方法的示意图；图2A是说明流体流动路径上安装5对超声传感器的示意图；图2B是说明利用图1中5对超声传感器测得的速度分布曲线的示意图；图3是说明本发明一实施例中流体流动路径上安装5对超声传感器以及由其测得的速度分布曲线的示意图；图4是说明本发明一实施例的速度分布曲线的示意图；图5是遵照幂定律的曲线示意图；图6是说明超声传感器的位置以及传统加权系数法的加权系数的示意图；图7和图8是说明由传统加权法获得的流体流量的误差率的示意图；以及图9说明利用本发明实施例测得的流体速度而获得的流体流量的误差率的示意表。
具体实施例方式
举本发明最佳实施例，结合所附图式，详细描述本发明如下。
图2A是说明流体流动路径上安装5对超声传感器的示意图，图3是说明本发明一实施例中流体流动路径上安装5对超声传感器以及由其测得的速度分布曲线的示意图，图4是说明本发明一实施例的速度分布曲线的示意图。
参照图2A、3、和4，现描述本发明一实施例的流体速度测量方法(如下)。
超声传感器安装在流体流动路径P上，用以测量流体速度。该超声传感器安装在构成流体流动的流动路径P上，例如是输油管道、供水和排水管道等的流体管道10。超声传感器可以配合敲打插入方式在流体管道10建成后安装，或当流体管道10正在建设时预先安装。流体流动管道10的半径为r，将其一半径方向设为X轴。由于流体流动管道10的半径为r，所以X-坐标轴上的变量x的范围为0≤x≤2r。将X-轴上的n个坐标设为xi，这里i为1，2，3...n.本实施例设定5个坐标，因此n为1，2，3，4，5，X-坐标分别为x1，x2，x3，x4.x5。坐标x1位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/3的地方，坐标x2位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为2r/3的地方，坐标x3位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r的地方，坐标x4位于从点Xf(x＝2r)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为2r/3的地方，坐标x5位于从点xf(x＝2r)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/3的地方。因此超声传感器相对于点x3对称安装。于是，设定垂直于X-轴并过点x1的直线。所设定的多条直线与水平面的夹角设为θ。每一对安装在所设定的直线上的超声传感器关于X-轴上下对称，因此所安装的5对超声传感器平行于流体管道10的半径方向。每一对超声传感器由两个分别安装在位于x-轴上、下位置的B点和A点的超声传感器组成。这两个超声传感器之间的距离为Li，每对超声传感器之间的距离分别为L1，L2，L3，L4，L5。例如，超声传感器21b和21a分别安装在对应于点x1的点B和点A，其之间距离为L1。
流体速度Vi(i＝1，2…n)由该5对超声传感器21，22，23，24，25测量。组成一对超声传感器的两个超声传感器相互对称，接收和发送穿过流体管道10中的流体的超声波。更明确地讲，安装在X-轴下方点A的超声传感器发射超声波，安装在X-轴上方点B的超声传感器接收超声波，反之亦然。测得的超声波发送和接收之间的每一传输时间分别为tAB=LC+Vcosθ,tBA=LC-Vcosθ]]>这里，C是超声波在静止的流体中传播的速度，V是流体流动速度。
相对于流体向前流动的方向向前发射(从A到B)的超声波的传输时间tAB比相对于流体向前流动的方向向后发射(从B到A)的超声波的传输时间tBA较短，其时间差计算如下Δt=tBA-tAB=2VLcosθC2(1-V2cosθC2)]]>由于 较小，可忽略不计，流体的平均速度描述如下V=ΔtC22Lcosθ]]>相应地，安装在点x1的一对超声传感器之间的流体速度V1为V1=ΔtC22L1cosθ]]>安装在点x2的一对超声传感器之间的流体速度V2为V2=ΔtC22L2cosθ,]]>安装在点x3的一对超声传感器之间的流体速度V3为V3=ΔtC22L3cosθ,]]>安装在点x4的一对超声传感器之间的流体速度V4为V4=ΔtC22L4cosθ,]]>安装在点x5的一对超声传感器之间的流体速度V5为V5=ΔtC22L5cosθ.]]>点x＝0的虚拟速度，即流过流体流动路径P的管壁附近的流体虚拟速度V0，由安装在X-轴上点x1和x2上下位置的每对超声传感器21和22测得的速度V1和V2确定。也就是说，速度V0不是一实际值，而是一随机虚拟值，暂时用于设定样条函数(稍后将作描述)。这里，可通过如下公式获得V0。
___V0＝V1×s1×(s2×V1/V2)2
这里，s1依流动条件即流体管道10的尺寸或流体条件等而变化，其范围为0.7≤s1≤0.8.本发明实施例中s1＝0.734959.然而，如果值s1小于0.7或大于0.8，由利用V0设定的样条函数获得的速度分布曲线就会与实际的速度分布曲线相差很大。S2依流动条件即流体管道10的尺寸或流体条件等而变化，其范围为1.1≤s2≤1.2.本发明实施例中s2＝1.163523.然而，如果值s2小于1.1或大于1.2，由利用V0设定的样条函数获得的速度分布曲线就会与实际的速度分布曲线相差很大。
点x＝2r的虚拟速度，即流过流体流动路径P的管壁附近的流体虚拟速度Vf，由安装在X-轴上点xn-1和xn(本发明实施例中为x4和x5)上下位置的每对超声传感器24和25测得的速度Vn-1和Vn确定。也就是说，速度Vf不是一实际值，而是一随机虚拟值，暂时用于设定样条函数(稍后将作描述)。这里，可通过如下公式获得Vf。
Vf＝Vn×s1×(s2×Vn/Vn-1)2这里，s1依流动条件即流体管道10的尺寸或流体条件等而变化，其范围为0.7≤s1≤0.8.本发明实施例中s1＝0.734959.然而，如果值s1小于0.7或大于0.8，由利用Vf设定的样条函数获得的速度分布曲线就会与实际的速度分布曲线相差很大。S2依流动条件即流体管道10的尺寸或流体条件等而变化，其范围为1.1≤s2≤1.2.本发明实施例中s2＝1.163523.然而，如果值s2小于1.1或大于1.2，由利用Vf设定的样条函数获得的速度分布曲线就会与实际的速度分布曲线相差很大。
利用流体速度V0到Vf计算流体速度的第一函数Vi(x)。使用三次样条函数插值得到的曲线(函数)采用区域多项式，以弥补把所有区域作为单一区域的更高次多项式函数的缺陷。
在本发明实施例中，在三次样条函数插值公式中(其中x是可变量)代入xi，Vi(i＝1，2，3，4，5)，以及V0，Vf，可得到如下关于区域xi≤x≤xi+1中的流体区域速度的区域多项式，Vi(x)=ai-1(xi+1-x)36hi+ai(x-xi)36hi+(yihi-ai+1hi6)(xi+1-x)+(yi+1hi-aihi6)(x-xi)]]>这里，hi6ai-1+hi+hi+13ai+hi+16ai+1=yi+2-yi+1hi+1-yi+1-yihi]]>i＝0，1，2…n-1，a-1＝an(an-1)＝0，hi＝xi+1-xi，以及Vi代表区域xi≤x≤xi+1中的流体速度。
区域多项式描述如下。
将i＝0代入三次样条函数插值公式，点x0(x＝0)和点x1(x＝x1)之间的区域多项式V0(x)为
V0(x)=a-1(x1-x)36h0+a0(x-x0)36h0+(y0h0-a1h06)(x1-x)+(y1h0-a0h06)(x-x0),]]>将i＝1代入三次样条函数插值公式，点x1和点x2之间的区域多项式V1(x)为V1(x)=a0(x2-x)36h1+a1(x-x1)36h1+(y1h1-a2h16)(x2-x)+(y2h1-a1h16)(x-x1).]]>将i＝2代入三次样条函数插值公式，点x2和点x3之间的区域多项式V2(x)为V2(x)=a1(x3-x)36h2+a2(x-x2)36h2+(y2h2-a3h26)(x3-x)+(y3h2-a2h26)(x-x2),]]>将i＝3代入三次样条函数插值公式，点x3和点x4之间的区域多项式V3(x)为V3(x)=a2(x4-x)36h3+a3(x-x3)36h3+(y3h3-a4h36)(x4-x)+(y4h3-a3h36)(x-x3),]]>将i＝4代入三次样条函数插值公式，点x4和点x5之间的区域多项式V4(x)为V4(x)=a3(x3-x)36h4+a4(x-x4)36h4+(y4h4-a5h46)(x5-x)+(y5h4-a4h46)(x-x4).]]>将i＝5代入三次样条函数插值公式，点x5和点x6之间的区域多项式V5(x)为V5(x)=a4(x4-x)36h5+a5(x-x5)36h5+(y5h5-a6h56)(x6-x)+(y6h5-a5h56)(x-x5)]]>这里x6＝xf.
如图3所示，区域多项式具有相同的变量x，并设定为连续，构成第一函数Vi(x)。
考虑流体流动管道10影响流体速度，设定区域0≤x＜xa(这里，xa为0＜xa＜x1)中的流体速度的第二函数Vj(x)。在区域0≤x＜xa之间，由于流体与流体流动管道的管壁之间的摩擦力大，该区域的流体速度明显地低于管道中央的流体速度，因此需要新的速度函数。如图4所示，在区域0≤x＜xa中，用实线表示的新速度函数代替用虚线表示的第一函数Vi(x)。本实施例中，xa位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着管道中心方向距离为r/10的地方，即流体流动管道10的直径的5％处。一般地，流体管道影响的区域大于或小于管道直径的8％。
利用V0得到的第二函数Vj(x)，其公式如下Vi(x)＝s3×V0×(1-exp(-x/s42r))这里，exp代表指数函数，s3依流动条件即流体管道10的尺寸或流体条件等而变化，其范围为0.2≤s3≤0.4.本发明实施例中，s3＝0.29903.然而，如果值s3小于0.2或大于0.4，由利用受流体管道影响的区域的第二函数Vj(x)获得的速度分布曲线就会与实际的速度分布曲线相差很大。S4依流动条件即流体管道10的尺寸或流体条件等而变化，其范围为0.005≤s4≤0.015.本发明实施例中，s4＝0.00958.然而，如果值s4小于0.005或大于0.015，由利用受流体管道影响的区域的第二函数Vj(x)获得的速度分布曲线就会与实际的速度分布曲线相差很大。
考虑流体流动管道10影响流体速度，设定区域xb≤x＜x2r(这里，xb为0＜xb＜x2r)中的流体速度的第三函数Vk(x)。在区域xb≤x＜x2r之间，由于流体与流体流动管道的管壁之间的摩擦力大，该区域的流体速度明显地低于管道中央的流体速度，因此需要新的速度函数。如图4所示，在区域xb≤x＜x2r中，用实线表示的新速度函数代替用虚线表示的第一函数Vi(x)。本实施例中，xb位于从点xf(x＝2r)开始，沿半径朝着管道中心方向距离为r/10的地方，即流体流动管道10的直径的5％处。一般地，流体管道影响的区域大于或小于管道直径的8％。
利用Vf得到的第三函数Vk(x)，其公式如下Vk(x)＝s3×Vf×(1-exp(-x/s42r))这里，exp代表指数函数，s3依流动条件即流体管道10的尺寸或流体条件等而变化，其范围为0.2≤s3≤0.4.本发明实施例中，s3＝0.29903.然而，如果值s3小于0.2或大于0.4，由利用受流体管道影响的区域的第二函数Vj(x)获得的速度分布曲线就会与实际的速度分布曲线相差很大。S4依流动条件即流体管道10的尺寸或流体条件等而变化，其范围为0.005≤s4≤0.015.本发明实施例中，s4＝0.00958.然而，如果值s4小于0.005或大于0.015，由利用受流体管道影响的区域的第三函数Vk(x)获得的速度分布曲线就会与实际的速度分布曲线相差很大。
获得的第二函数Vj(x)、第一函数Vi(x)和第三函数Vk(x)是关于变量x的函数。第一函数Vi(x)由6个函数组成，所以共获得8个区域函数。由于每一函数有一变量x，如果输入流体管道10的一x坐标，就可以精确地测得流过在x坐标点处垂直于X-轴的直线的流体的速度。
另外，流体流动管道10的横截面积沿X-轴(半径方向)变化，可被表达为一函数。两次求解该函数与速度函数的乘积的积分，得到流体流量的精确值。
由上述函数产生的流体速度所构成的速度分布曲线与实际速度分布曲线相比，误差范围很窄，因此所测得的速度精确，继之计算出精确的流体流量。
现以应用测得的速度算出的流体流量的误差来比较传统加权系数法和本发明实施例的方法。
利用由Honggreung科学出版公司(Hongreung_Science_PublishingCompany)于2003年出版的“流体力学的基本原理”(“Fundamentals_ofFluid_Mechanics”)一书中第415和416页所描述的幂定律进行比较。该幂定律被广泛用作均匀对称流动(这里指流体速度不随时间变化)的流体(尤其是湍流)的速度分布曲线的理论模型。已知该幂定律近似等同于在流体流动管道的大多数区域内估计的速度分布曲线。该幂定律表达为VmaxV=(1-rR)1/n]]>该幂定律的曲线图如图5所示。其水平坐标轴无量纲，代表离流体管道10的中心的距离x与流体管道半径r的比率，垂直轴无量纲，代表流体的区域速度v与流体的最大速度Vmax的比率。在这点上，由Honggreung科学出版公司于2003年出版的“流体力学的基本原理”一书中第415和416页所描述的幂指数n是管壁粗糙度和雷诺数的函数，由以下公式给出，n=1f.]]>该幂指数由以下Colebrook和White方程式计算1f=1.74-2log10(2kD+18.7Ref)]]>其中，Re代表雷诺数，在104到108之间变化，k/D代表相对粗糙度，在0到10-2之间变化。两者均作为流动模型。
现描述由传统加权系数法利用上面描述的流动模型所计算的流体流量和其误差率。
在传统加权系数法中，5对超声传感器21，22，23，24和25沿着流体流动路径P的半径方向，按照Gaussian，Chebyshev，和Tailor结构(configuration)配置。对应于该三种结构配置的特定的坐标如图6所示。图6的表格参见由韩国流体机械协会于2003年12月5日和6日举办的流体机械研究和发展研讨会的文献汇编第157页。在该表格中，路径数(thenumber_of_paths)代表多少对超声传感器安装在流体流动管道10上。例如，在Gaussian结构中的路径数5，表明该例共安装了5对超声传感器。更加详细地说，一对超声传感器安装于在中心点位置垂直于流体流动路径P的直线的上、下方，一对超声传感器安装于在中心点的两边的任一边、半径为Rx_0.538469的点上垂直于流体流动路径P的直线上，一对超声传感器安装于在中心点的两边的任一边、半径为Rx_0.906179的点上垂直于流体流动路径P的直线上，因此共有5对超声传感器平行地安装在流动路径P上。
将由超声传感器分别测得的流体速度V1到V5视为由幂定律获得的速度值，加权系数W1到W5分别乘以速度V1到V5。因为流体是均匀和对称流动的，所以与速度值V2和V4分别相乘的加权系数W2和W4均为0.362165，与速度值V1和V5分别相乘的加权系数W1和W5均为0.063786。把这些乘积加起来得到流体平均速度Vmean，在将其与横截面积A相乘，得到流体的流量Q，如下所示。
Q＝Vmean×A＝(W1V1+W2V2+W3V3+W4V4+W5V5)×A对由传统加权系数法计算的流体流量Q的误差率的说明见图7和图8的曲线图。水平轴代表雷诺数和相对粗糙度，垂直轴代表流体的实际流量与公称流量Qref之间的误差。改变雷诺数和相对粗糙度，计算流体流量。利用根据理论流动模型由幂定律得到的速度值计算流体的公称流量Qref。这里误差被定义为Error＝{(Q-Qref)/Qref)×100.
图7所示的流量Q，其路径数为5，利用了5对超声传感器。在Chebyshev结构中，当雷诺数为104，相对粗糙度为10-2时，误差率为0.2现在描述由本发明实施例测得的速度所计算的流体流量及其误差。如图3所示，共安装5对超声传感器21，22，23，24和25，其中，一对安装于点x1的上、下位置，一对安装于点x2的上、下位置，一对安装于点x3的上、下位置，一对安装于点x4的上、下位置，一对安装于点x5的上、下位置。由各对超声传感器分别测得的速度V1到V5被视为由幂定律获得的速度值。利用速度V1到V5构建第一函数Vi(x)、第二函数Vj(x)和第三函数Vk(x)。设定点xa和xb对应于流体流动管道10的直径的5％处，按照以上传统加权系数法的相同方式变化雷诺数和相对粗糙度，用本发明实施例的方法将横截面积与第一函数Vi(x)、第二函数Vj(x)和第三函数Vk(x)相乘，并将乘积二次积分得到流量。流量Q与公称流量Qref之间的误差率见图9所示的曲线图。利用根据理论流动模型由幂定律得到的速度值，来计算流体的公称流量Qref。误差率的计算方式与传统加权系数法误差率的计算方式相同。参见图9，当雷诺数为104，相对粗糙度为10-2时，误差率为0.015，当雷诺数为108，相对粗糙度为10-5时，误差率为-0.047。这些误差率低于传统加权系数法的误差率。
从图7到图9，可以看出，不管雷诺数和相对粗糙度，由本发明实施例利用所测得的速度计算的流量的误差率明显低于由传统加权系数法计算的流量误差率。
如上所述，根据本发明的一实施例所测量流体速度的方法，因考虑流体的流动特征，将流动路径的横截面分成三部分，并为之构建反映流体在流动路径中流动的实际速度分布曲线的合适的速度函数。因而提供精确的流体速度值，从而显著降低流量的计算误差。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
权利要求
1.一种测量流体流动速度的方法，其特征在于其包括以下步骤设定半径为r的流体流动路径的一半径方向为X-轴，在X-轴(0≤x≤2r)上设定n个坐标(xi，i＝1，2，3...n)，将每一对接收和发送超声波的超声传感器对称地配置于在xi坐标处垂直于X-轴的n条直线上的位于X-轴上方和下方的位置，在流动路径上所安装的n对超声传感器相互平行；每一对安装在坐标xi(i＝1，2，3...n)处的上下位置的超声传感器，通过接收和发送超声波来测量流体速度Vi，(i＝1，2，3...n)；利用位于X-坐标上点x1和点x2的上、下位置的每对超声传感器测得的速度V1和V2，由一公式V0＝V1×s1×(s2×V1/V2)2计算点x＝0的流体速度V0，其中0.7≤s1≤0.8以及1.1≤s2≤1.2；利用位于X-坐标上点xn-1和点xn的上、下位置的每对超声传感器测得的速度Vn-1和Vn，由一公式Vf＝Vn×s1×(s2×Vn/Vn-1)2计算点x＝2r的流体速度Vf，其中0.7≤s1≤0.8以及1.1≤s2≤1.2；在三次样条函数插值公式中(其中x是可变量)代入xi，Vi(i＝1，2，3，4，5)，以及V0，Vf，得到关于在区域xi≤x≤xi+1中的流体区域速度的区域多项式，从而获得流体速度的第一函数Vi(x)Vi(x)=ai-1(xi+1-x)36hi+ai(x-xi)36hi+(yihi-ai+1hi6)(xi+1-x)+(yi+1hi-aihi6)(x-xi)]]>这里，hi6ai-1+hi+hi+13ai+hi+16ai+1=yi+2-yi-1hi+1-yi+1-yihi]]>i＝0，1，2...n-1，a-1＝an(an-1)＝0，hi＝xi+1-xi，以及Vi代表区域xi≤x≤xi+1中的流体速度；考虑流体流动路径的管壁在区域0≤x＜xa(这里，0＜xa＜x1)中影响流体的速度，利用V0，在区域0≤x＜xa中，把x设为可变量，得到流体速度的第二函数Vj(x)＝s3×V0×(1-exp(-x/s42r))，其中，0.2≤s3≤0.4，0.005≤s4≤0.015；考虑流体流动路径的管壁在区域xb≤x＜2r(这里，0＜xb＜x2r)中影响流体的速度，利用Vf，在区域xb≤x＜2r中，把x设为可变量，得到流体速度的第三函数Vk(x)＝s3×Vf×(1-exp(-x/s42r))，其中，0.2≤s3≤0.4，0.005≤s4≤0.015；以及在区域0≤x＜xa中，应用第一函数计算流体速度，在区域xa≤x≤xb中，应用第二函数计算流体速度，在区域xb≤x＜2r中，应用第三函数计算流体速度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，xa可位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/10的地方，而xb可位于从点xf(x＝2r)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/10的地方。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，i可以是1，2，3，4，和5，安装5对超声传感器，其中，x1位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/3的地方，x2位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为2r/3的地方，x3位于从点x0(x＝0)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r的地方，x4位于从点xf(x＝2r)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为2r/3的地方，x5位于从点xf(x＝2r)开始，沿半径朝着流动路径中心方向距离为r/3的地方。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于s1＝0.734959。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于s2＝1.163523。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于s3＝0.29903。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于s4＝0.00958。
全文摘要
本发明提供一种测量流体速度的方法，该方法考虑流体的流动特征，将一流动路径的横截面分成三部分，并构建分别适合于该三部分的函数，即第一函数
文档编号G01F1/66GK1734267SQ20051005997
公开日2006年2月15日 申请日期2005年4月4日 优先权日2004年8月11日
发明者金秉灿 申请人:昌民Tech株式会社