专利名称：一种多声道超声波流量测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及流量测量方法及装置，尤其是涉及一种多声道超声波流量测量方法及
>J-U装直。
背景技术：
超声波流量计是利用流体流动对超声波脉冲或者超声波束的信号调制作用，并通过检测信号的变化来获得体积流量的一种计量仪表。超声波流量计的测量原理可分为时差法，多普勒法，波束偏移法，相关法以及噪声法等。本专利所针对的是利用时差法进行测量的超声波流量测量方法。该流量测量方法可对常见液体、气体等进行测量。在流体传输过程中，不可避免的会使用突扩管、单弯管、双弯管、截流管、阀门等装置，流场会由此出现涡流等流场不稳定的情况。流场扰流对时差式超声波流量测量方法的测量精度有很大的影响。为了保证测量精度，通常会采用多声道的方法。良好的声道布置不但能提升计量的精度，还可以有效的提高流量计的抗干扰能力以及对特殊流场的适应性。多声道的设计就是为了降低流量计对流场波动的敏感程度。多声道超声波流量计通过特有的声道设计可以补偿由于流场波动对于精度造成的影响，由此降低对安装环境以及流场状况的苛刻要求。所以，声道布置方案的设计对于提升流量计的计量精度以及适应性具有极其关键的影响。现有的多声波超声波流量计，通常采用两类典型的声道布置方案。传统方案(一)为:采用一个径向声道或两个互相交错呈90度的径向声道，以及两个或四个各自反射两次的弦向声道，这两个或四个弦向声道线的投影在轴向面上是一个正三角形或两个交错的正三角形；传统方案(二)为:在多个与轴向截面垂直的平面上各自有一个声道或两个交错的声道。由于流场可能存在涡流或会发生激变，上述两种方案各声道间的测量间隔都是固定的，而在流场激变的情况下，各声道测量时所处的流场状况相差较大，继而导致其测量结果与实际流场偏差较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多声道超声波流量测量方法及装置，基于特殊设置的声道布置，可以使得各声道间测量时间间隔的随着压力传感器的实时检测而实现实时控制。为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下:
一、一种多声道超声波流量测量方法，该方法的步骤如下:
(1)在声道测量区域的前端布置一个压力传感器，压力传感器与各声道的轴向中心位置的距离相等；
(2)在管段上安装个数为声道数2倍的换能器，其中每两个换能器的连线构成一个声道，且声道与管段的轴线呈15°；
(3)各换能器所对应的声道分为弦向声道和径向声道，即有一条径向声道以及至少三条弦向声道，各弦向声道按其声道数目在轴向截面上的投影为正多边形；
(4)根据压力传感器测量结果，对各个声道之间的测量时间间隔进行实时调整，每条弦声道进行流量测量的同时，信号处理模块读取压力传感器数据，计算所有弦声道测量时刻所对应的压力传感器测量结果方差；若压力传感器测量结果方差小于设定值A0，则认为各弦声道测量结果有效；若压力传感器测量结果方差大于设定值A0，则认为各弦声道测量结果无效，减小各声道之间的测量时间间隔进行再次测量，直至压力传感器测量结果方差小于设定值A0，则此时的各弦向流速测量结果有效；
(5)将所有弦声道所测得的流速进行平均，作为平均流速测量结果，计算平均流速测量结果与径向声道所测得的流速数值之间的比值，通过该比值来判断流场所处的状态。所述正多边形为正三角形弦声道时，对于正三角形弦声道+径声道的四声道布置而言:比值小于kl=3/4时，判定流场为层流状态，采用层流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值大于k2=4/5时，判定流场为紊流状态，采用紊流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值处于kl到k2之间时，流场处于层紊流之间的过渡状态，采用过渡状态流量修正模型，从平均流速测量计算体积流量；层流流量修正模型与紊流流量修正模型通过流量标定实验事先获得。所述正多边形为正方形弦声道时，对于正方形弦声道+径声道的五声道布置而言:比值小于kl=0.5时，判定流场为层流状态，采用层流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值大于k2=0.84时，判定流场为紊流状态，采用紊流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值处于kl到k2之间时，流场处于层紊流之间的过渡状态，采用过渡状态流量修正模型，从平均流速测量计算体积流量；层流流量修正模型与紊流流量修正模型通过流量标定实验事先获得。二、一种多声道超声波流量测量装置:
本发明在管段上等分空间布置安装个数为声道数2倍的换能器，其中每两个换能器的连线构成一条声道，且其声道与管段的轴线呈15° 75。;在声道测量区域的前端布置一个压力传感器，压力传感器与各声道的轴向中心位置的距离相等；各换能器所对应的声道分为弦向声道和径向声道，即由一条径向声道和三条弦向声道构成，各弦向声道按其声道数在轴向截面上的投影为正三角形，径向声道与正三角形的底边平行；或由一条径向声道和四条弦向声道构成，各弦向声道按其声道数目在轴向截面上的投影为正方形，径向声道与正方形的一边平行。本发明具有的有益效果是:
(I)根据压力传感器对流场压力状况的实时检测，可以由一个周期内流场的压力方差值与初始值作比较，进而增加或减小声道测量的时间间隔，实现多声道的声道测量时间隔的实时调整。使得该流量计可以适应流场激变的场合，计量结果更切合实际，更精确。而传统方法各声道之间的测量时间间隔无法根据工况自行调整，更无根据压力传感器实时监测结果进行调整的现有方法。(2)本发明各声道中同时存在径向声道与弦向声道，将所测得的两种速度做比，SP可以判断当前的流场状态是处于层流或是紊流。(3)本发明的弦向声道在轴向面上的投影呈正三角形或正方形，都是规则的完全对称的声道布置，可以有效的消除流场的径向速度分量对于实际的轴向方向的流度的影响。(4)本发明所公开的两种声道布置方案中，虽然“正三角形弦声道+径声道”的四声道布置其弦声道轴向投影也为正三角形，这与传统方案(一)一样，但本发明中轴向投影正三角形或正方形的每个边都为一个独立的声道，每条边所对应声道的中心位置与压力传感器之间的轴向距离相等，以确保压力传感器对各声道具有相同的空间与时间参考，而传统方案(一)中，每个正三角形的三条边为具有两次反射的同一个声道，每条边的轴向中心位置也不同。
图1是本发明“正三角形弦声道+径声道”四声道布置的正视图。图2是本发明“正三角形弦声道+径声道”四声道布置的轴向投影图。图3是本发明“正方形弦声道+径声道”五声道布置的正视图。图4是本发明“正方形弦声道+径声道”五声道布置的轴向投影图。图5是本发明中根据压力传感器测量结果实时调整各声道之间测量时间间隔的流程图。图1、图2中:1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B均为收发两用的换能器。1、2、3均为弦向声道线，4、径向声道线，5、压力传感器，1、2、3声道在轴向截面上呈正三角形布置。图3、图 4 中:1A、1B、2A、2B、3A、3B、4A、4B、6A、6B 均为收发两用的换能器。1、2、3、
6均为弦向声道线,4、径向声道线,5、压力传感器。1、2、3、6声道在轴向截面上呈正方形布置。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1、图2所示，本发明在管段上每隔120°等分空间布置安装两个收发两用的换能器为一组的三条弦向声道和径向声道，即收发两用的换能器IA和IB的连线构成第I条声道，收发两用的换能器2A和2B的连线构成第2条声道和收发两用的换能器3A和3B的连线构成第3条声道，4A和4B构成径向声道；三条声道在轴向截面上的投影为正三角形，即IA (3B)、2A (IB)和3A (2B)三条声道构成的正三角形，径向声道与正三角形的底边平行，每条声道线与管段的轴线呈15° 75°，在声道测量区域的前端管段上布置一个压力传感器5，压力传感器5与各声道的轴向中心位置的距离相等。如图3、图4所示，本发明在管段上每隔90°等分空间布置安装两个收发两用的换能器为一组的四条声道和径向声道，即收发两用的换能器IA和IB的连线构成第I条声道，收发两用的换能器2A和2B的连线构成第2条声道、收发两用的换能器3A和3B的连线构成第3条声道和收发两用的换能器6A和6B的连线构成第4条声道，4A和4B构成径向声道；四条声道在轴向截面上的投影为正四边形，S卩IA (6B)、2A (1B)、3A (2B)和6A(3B)声道构成的正四角形，径向声道4与正四边形的一边平行，每条声道线与管段的轴线呈15° 75°，在声道测量区域的前端管段上布置一个压力传感器5,压力传感器5与各声道的轴向中心位置的距离相等。图1至图4中，压力传感器位于整个声道测试区域的前段，用于获取管道压力信息并实时监测管道内流场变化情况。轴向投影为正三角形或正方形的每个边都为一个独立的声道，每条边所对应声道的中心位置与压力传感器之间的轴向距离相等，以确保压力传感器对各声道具有相同的空间与时间参考。如图5所示，各个声道之间的测量时间间隔，通过压力传感器对流场状况的实时检测而实现自适应调整。每次声道测量的同时需要进行一次压力检测，正常工况下只需对其弦向声道进行测量。利用离散型随机变量的数学模型，求这三个压力值的方差，若这三个压力值的方差小于设定值AO时，则认为该次测量的流场状况稳定，所得的声道测量值符合要求，经过预定的休眠时间TS后，再执行下一次的测量。若该次测量的压力值的方差小于0.8倍设定值AO时，将各声道之间的测量时间间隔增加到初始值TO的120%。若该次测量压力值的方差大于设定值AO时，则重置该测量，并将各声道之间的测量时间间隔减小到初始值TO的80%，不经历休眠时间TS直接以此时间间隔重新开始测量。若各声道之间测量时间间隔改变后测量所得的压力值的方差小于设定值AO时，则认为该时刻的流场状况稳定，所得的声道测量值符合要求。若不符合，则将各声道之间测量的时间间隔减小到初始值TO的60%，不经历休眠时间TS重新依次开始各声道的测量。依次类推，若测量时间间隔改变后所测得的压力值的方差仍不符合小于设定值AO的要求，则将各声道之间测量的时间间隔再减小到初始值TO的40%、20%、10%甚至更小，直至连续两次完整测量所测得的压力测试值的方差均小于设定值AO时，则认为流场处于稳定状况，流场状态未变，弦声道测量结果有效。当弦声道测量结果有效时，执行一次径向声道的测量，用以判断流场是否发生层紊流状况的转变。如图1和图2中，在1、2、3声道测完之后进行4声道的测量。如图3和图4中，在1、2、3、6声道测完之后进行4声道的测量。将所有弦声道所测得的流速信息进行平均，作为平均流速测量结果。计算平均流速测量结果与径向声道所测得的流速数值之间的比值。对于“正三角形弦声道+径声道”的四声道布置而言:比值小于kl=3/4时，判定流场为层流状态，采用层流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值大于k2=4/5时，判定流场为紊流状态，采用紊流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值处于kl到k2之间时，流场处于层紊流之间的过渡状态，采用过渡状态流量修正模型，从平均流速测量计算体积流量。对于“正方形弦声道+径声道”五声道布置而言，kl取值0.5，k2取值0.84。层流流量修正模型与紊流流量修正模型通过流量标定实验事先获得。
权利要求
1.一种多声道超声波流量测量方法，其特征在于，该方法的步骤如下: (1)在声道测量区域的前端布置一个压力传感器，压力传感器与各声道的轴向中心位置的距离相等； (2)在管段上安装个数为声道数2倍的换能器，其中每两个换能器的连线构成一个声道，且声道与管段的轴线呈15°； (3)各换能器所对应的声道分为弦向声道和径向声道，即有一条径向声道以及至少三条弦向声道，各弦向声道按其声道数目在轴向截面上的投影为正多边形； (4)根据压力传感器测量结果，对各个声道之间的测量时间间隔进行实时调整，每条弦声道进行流量测量的同时，信号处理模块读取压力传感器数据，计算所有弦声道测量时刻所对应的压力传感器测量结果方差；若压力传感器测量结果方差小于设定值A0，则认为各弦声道测量结果有效；若压力传感器测量结果方差大于设定值A0，则认为各弦声道测量结果无效，减小各声道之间的测量时间间隔进行再次测量，直至压力传感器测量结果方差小于设定值A0，则此时的各弦向流速测量结果有效； (5)将所有弦声道所测得的流速进行平均，作为平均流速测量结果，计算平均流速测量结果与径向声道所测得的流速数值之间的比值，通过该比值来判断流场所处的状态。
2.根据权利要求1所述的一种多声道超声波流量测量方法，其特征在于:所述正多边形为正三角形弦声道时，对于正三角形弦声道+径声道的四声道布置而言:比值小于kl=3/4时，判定流场为层流状态，采用层流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值大于k2=4/5时，判定流场为紊流状态，采用紊流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值处于kl到k2之间时，流场处于层紊流之间的过渡状态，采用过渡状态流量修正模型，从平均流速测量计算体积流量；层流流量修正模型与紊流流量修正模型通过流量标定实验事先获得。
3.根据权利要求1所述的一种多声道超声波流量测量方法，其特征在于:所述正多边形为正方形弦声道时，对于正方形弦声道+径声道的五声道布置而言:比值小于kl=0.5时，判定流场为层流状态，采用层流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值大于k2=0.84时，判定流场为紊流状态，采用紊流流量修正模型，从平均流速测量结果计算体积流量；比值处于kl到k2之间时，流场处于层紊流之间的过渡状态，采用过渡状态流量修正模型，从平均流速测量计算体积流量；层流流量修正模型与紊流流量修正模型通过流量标定实验事先获得。
4.如权利要求1所述方法的一种多声道超声波流量测量装置，其特征在于: 在管段上等分空间布置安装个数为声道数2倍的换能器，其中每两个换能器的连线构成一条声道，且其声道与管段的轴线呈15° 75。;在声道测量区域的前端布置一个压力传感器，压力传感器与各声道的轴向中心位置的距离相等；各换能器所对应的声道分为弦向声道和径向声道，即由一条径向声道和三条弦向声道构成，各弦向声道按其声道数在轴向截面上的投影为正三角形，径向声道与正三角形的底边平行；或由一条径向声道和四条弦向声道构成，各弦向声道按其声道数目在轴向截面上的投影为正方形，径向声道与正方形的一边平行。
全文摘要
本发明公开了一种多声道超声波流量测量方法及装置。在管段上安装个数为声道数2倍的换能器，换能器两两连线分别对应成一条声道，声道与管段的轴线呈15°~75°；在管段前端布置压力传感器，它与各声道的轴向中心位置的距离相等；各换能器所对应的声道分为弦向声道和径向声道，三条及三条以上弦向声道在轴向截面上的投影为正多边形。根据压力传感器对流场压力状况的实时检测，由一个周期内流场的压力方差值与初始值作比较，进而增加或减小声道测量的时间间隔，实现多声道的测量时间隔的实时调整，特别适用于流场激变的场合。各声道中同时存在径向声道与弦向声道，将所测得的两种速度做比，即可以判断当前的流场状态是处于层流或是紊流。
文档编号G01F1/66GK103196504SQ201310092128
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月21日 优先权日2013年3月21日
发明者傅新, 陈炜刚, 胡亮, 黎裕熙, 王利军 申请人:浙江大学