流量测量装置和流量测量方法与流程

本发明涉及流量测量领域，具体地，涉及一种流量测量装置和一种流量测量方法。

背景技术：

流量测量在很多具有流体管路的工业生产中具有重要作用，如化工生产、医药合成、化学精工、电子电路基板刻蚀等。生产设备上通常有固定的流量计，常见的种类有速度式流量计、容积式流量计、动量式流量计，这种流量测量方式，点位固定，只能安装在关键管路上。超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。

但是，一种型号的流量测量装置只能对一种管径的管路进行测量，并且也只能对已知管径的管路进行测量。如何提高流量测量装置的适用性成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种流量测量装置，该流量测量装置能够对管径未知的管路进行测量。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种流量测量装置，所述流量测量装置包括固定部和测量部，所述固定部用于将所述流量测量装置固定在待测量的物体上，其中，所述测量部包括第一超声发射器、第二超声发射器和多个信号接收器，多个所述信号接收器间隔设置，所述第一超声发射器、所述第二超声发射器和多个所述信号接收器均设置在所述固定部上，使得所述第一超声发射器和所述第二超声发射器均能够向所述待测量的物体发出超声波，所述信号接收器能够接收所述待测量的物体反射的超声波，多个所述信号接收器包括与所述第一超声发射器设置在相同位置处的第一信号接收器、与所述第二超声发射器设置在相同位置处的第二信号接收器和位于所述第一信号接收器和所述第二信号接收器之间的多个第三信号接收器，所述第二超声发射器能够在所述第二信号接收器接收到所述待测量的物体反射的超声波时发出超声波。

优选地，所述流量测量装置还包括控制模块，所述控制模块还能够根据接收到所述待测量的物体反射的超声波的第三信号接收器的位置确定所述待测量的物体的尺寸，并且，所述控制模块能够根据所述第一超声发射器发出超声波的时间、所述第一信号接收器接收到超声波信号的时间以及所述待测量的物体的尺寸确定所述待测量的物体内的流体流量。

优选地，所述待测量的物体为管道，所述控制模块能够根据以下公式计算待测量的物体内的流体流量：

其中，q为流量；

a为管道横截面积；

u为管内液体流速；

d为管道直径；

θ为第一超声发射器的发射方向与竖直方向之间的夹角；

c0为声音在流体中的传播速度；

δt为第一超声发射器发出超声信号与第一信号接收器接收到超声信号之间的时间间隔。

优选地，所述第一超声发射器的发射角度能够调节，且所述第二超声发射器的发射角度能够调节，所述控制模块能够按照以下公式计算待测的物体的直径：

其中，l为第一超声发射器发出超声信号后，第一个接收到管壁反射的超声波的第三信号接收器与第一超声发射器之间的距离。

优选地，多个所述第三信号接收器等间隔设置。

优选地，所述流量测量装置包括显示模块，所述显示模块用于显示测量结果。

优选地，所述流量测量装置还包括存储模块，所述存储模块用于存储测量结果。

优选地，所述固定部包括安装板和分别设置在所述安装板两侧的两个夹持板，所述测量部安装在所述安装板上，两个所述夹持板之间的间隔能够调节。

优选地，所述流量测量装置还包括电源模块，所述电源模块用于为所述流量装置供电。

优选地，所述流量测量装置还包括输入模块，所述输入模块用于输入操作指令。

作为本发明的第二个方面，提供一种流量测量方法，其中，所述流量测量方法包括：

沿待测量物体的表面分别设置第一超声发射器、多个信号接收器和第二超声发射器，所述信号接收器能够接收所述待测量的物体反射的超声波，多个所述信号接收器包括与所述第一超声发射器设置在相同位置处的第一信号接收器、与所述第二超声发射器设置在相同位置处的第二信号接收器和位于所述第一信号接收器和所述第二信号接收器之间的多个第三信号接收器；

启动第一超声发射器向所述待测量的物体发出超声波；

当所述第二信号接收器接收到所述待测量的物体反射的超声波时，启动第二超声发射器向所述待测量的物体发出超声波；

根据接收到所述待测量的物体反射的超声波的第三信号接收器的位置确定所述待测量的物体的尺寸；

根据所述第一超声发射器发出超声波的时间、所述第一信号接收器接收到超声波信号的时间以及所述待测量的物体的尺寸确定所述待测量的物体内的流体流量。

优选地，所述待测量的物体为管道，

根据所述第一超声发射器发出超声波的时间、所述第一信号接收器接收到超声波信号的时间以及所述待测量的物体的尺寸确定所述待测量的物体内的流体流量的步骤包括根据以下公式计算所述待测量的物体内的流体流量：

其中，q为流量；

a为管道横截面积；

u为管内液体流速；

d为管道直径；

θ为第一超声发射器的发射方向与竖直方向之间的夹角；

c0为声音在流体中的传播速度；

δt为第一超声发射器发出超声信号与第一信号接收器接收到超声信号之间的时间间隔。

优选地，根据接收到所述待测量的物体反射的超声波的第三信号接收器的位置确定所述待测量的物体的尺寸的步骤包括利用以下公式计算所述待测量物体的直径：

其中，l为第一超声发射器发出超声信号后，第一个接收到管壁反射的超声波的第三信号接收器与第一超声发射器之间的距离。

由于测量时使用的是超声波，因此，在对待测量的物体内的流体进行测量时，只需要将所述流量测量装置设置在待测量的物体外部即可。因此，本发明所提供的流量测量装置对物体内流动的流体的性质并不做特殊要求。并且，由于流量测量装置中设置有多个第三信号接收器，因此，当待测量的物体尺寸未知时，可以根据接收到超声波信号的第三信号接收器的位置确定物体的尺寸，使得所述流量测量装置可以对尺寸未知的物体进行流量测量。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明所提供的流量测量装置的工作原理示意图；

图2是本发明所提供的流量测量装置的外观结构示意图；

图3是本发明所提供的流量测量装置的模块示意图；

图4是本发明所提供的流量测量方法的流程示意图。

附图标记说明

110：固定部111：安装板

112：夹持板121：第一超声发射器

122：第二超声发射器123：第三信号接收器

200、300：管路400：控制模块

500：显示模块600：输入模块

700：时钟模块810：换能驱动模块

820：检测放大模块910：电源模块

920：存储器930：存储模块

940：u盘

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种流量测量装置，如图1所示，所述流量测量装置包括固定部110和测量部，固定部110用于将所述流量测量装置固定在待测量的物体(即，管路)上，其中，所述测量部包括第一超声发射器121、第二超声发射器122和设置在第一超声发射器121和第二超声发射器122之间的多个信号接收器。

第一超声发射器121、第二超声发射器122和多个信号接收器123均设置在固定部110上，使得第一超声发射器121和第二超声发射器122均能够向所述待测量的物体发出超声波。

所述信号接收器能够接收所述待测量物体反射的超声波，并且，8设置在相同位置处的第一信号接收器(未示出)、与第二超声发射器122设置在相同位置处的第二信号接收器(未示出)和位于所述第一信号接收器和所述第二信号接收器之间的多个第三信号接收器123。

第二超声发射器122能够在所述第二信号接收器接收到所述待测量的物体反射的超声波时发出超声波。

为了便于理解，先简要介绍利用超声波测量流体流量的原理。

超声波在流体中传播时，受流体速度的影响而载有流体的流速信息，通过检测接收到的超声波信号可以测知流体的流速，从而求得流体的流量。超声波测流量的方法包括传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速-液面法等多种方法。

当使用所述流量测量装置检测管路中流体的流量时，如图1和图2所示，利用固定部110将所述流量测量装置固定在管路上。多个信号接收器沿管路的轴向依次排列。

在测量待测量的物体内的流体流量时，启动第一超声发射器121，第一超声发射器朝向管路200内部发出超声波，该超声波到达管路200的管壁后被反射，并被其中一个第三信号接收器123接收，随后被再次反射，依次类推，被多个第三信号接收器123接收。此时，分别记录各个第三信号接收器123接收到超声波的时间点。当第二信号接收器接收到超声波信号时，随后启动第二超声发射器122，并记录各个第三信号接收器123接收到超声波的时间点以及第一信号接收器接收到超声波的时间点。

在本发明中，第一超声发射器121和第二超声发射器122的发射角均是容易获得的。根据第一超声发射器121的位置、第一超声发射器的发射角、以及接收到的超声波的第三信号接收器123的位置，利用三角函数即可获得待测量物体的尺寸(至少垂直于流体流动方向的尺寸)。

确定了待测量物体的尺寸、第一超声发射器发出超声波的时间、第二超声发射器发出超声波的时间、各个信号接收器接收到超声波的时间后，可以利用传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速-液面法等多种方法中的任意一种计算获得待测量的物体内的流体流量。

由此可知，在利用所述流量测量装置测量物体内流体的流速时，不需要事先获知物体尺寸，通过流量测量装置本身即可获得物体尺寸，从而可以利用所述流量测量装置对没有标明尺寸的物体进行测量，扩展了所述流量测量装置的适用范围。

下面根据图1中所示的具体实施方式介绍如何根据接收到超声波信号的第三信号发射器123的位置确定物体的尺寸。具体地，在图1中所示的物体为管道，因此，此处确定的是管道直径。

在图1中所示的具体实施方式中，多个第三信号发射器123分别包括设置在1#位置的第三信号接收器123、设置在2#位置的第三信号接收器123、设置在3#位置的第三信号接收器123、设置在4#位置的第三信号接收器123、设置在5#位置的第三信号接收器123，……，设置在n#位置的第三信号接收器123。

当第一超声发射器121的发射角为θ1、位于1#位置的第三信号接收器123首先接收到第一超声发射器121发生的超声信号时，可以根据三角函数计算出管道直径为d1。

当第一超声发射器121的发射角为θ2、位于3#位置的第三信号接收器123首先接收到第一超声发射器121发生的超声信号时，可以根据三角函数计算出管道直径为d2。

由此可知，由于所述流量测量装置中设置有多个信号接收器123，因此，只要待测管路的直径在一定的范围内，均能够对其进行测量。当然，所述流量测量装置也能够对尺寸已知的物体进行测量。

由于测量时使用的是超声波，因此，在对待测量的物体内的流体进行测量时，只需要将所述流量测量装置设置在待测量的物体外部即可。因此，本发明所提供的流量测量装置对物体内流动的流体的性质并不做特殊要求。例如，可以是水、酸碱液、有机容易等能够传导超声波的液体。

在某些情况中，包括所述待测量的物体的设备中通常带有一个流量测量装置。随着设备的使用，该设备自带的流量测量装置的精度会降低。因此，每隔一段时间，利用本发明所提供的流量测量装置对所述设备中的所述物体内的流体流量进行测量，将该测量结果与所述设备自带的流量测量装置测量的结果进行一个对比，从而可以得出设备自带的流量测量装置是否准确，并对该自带的流量测量装置进行校准，从而可以减小利用自带的流量测量装置进行测量时产生的偏差。

容易理解的是，当所述第一信号接收器、所述第二信号接收器和所述第三信号接收器接收超声波信号时，均将生成相应的电信号。

在本发明中，对如何计算待测量的物体内的流体流量并不做特殊的要求。例如，可以将第一信号接收器、第二信号接收器、第三信号接收器、第一超声发射器、第二超声发射器均与外部的计算装置进行电连接，该计算装置通过接收到的电信号计算待测量的物体内的流体的流量、以及计算待测量的物体的尺寸。

为了提高所述流量测量装置的集成化程度，优选地，所述流量测量装置还包括控制模块，所述控制模块还能够根据接收到所述待测量的物体反射的超声波的第三信号接收器的位置确定所述待测量的物体的尺寸，并且，所述控制模块能够根据所述第一超声发射器发出超声波的时间、所述第一信号接收器接收到超声波信号的时间以及所述待测量的物体的尺寸确定所述待测量的物体内的流体流量。

在本发明中，对采用何种方法计算待测量的物体内部的流体流量并没有特殊要求，例如，可以采用流速法计算待测量的物体内部的流体流量。具体地，当所述待测量的物体为管道时，可以按照如下公式(1)计算待测量物体内的流体流量：

其中，q为流量；

a为管道横截面积；

u为管内液体流速；

d为管道直径；

θ为第一超声发射器的发射方向与竖直方向之间的夹角；

c0为声音在流体中的传播速度；

δt为第一超声发射器发出超声信号与第一信号接收器接收到超声信号之间的时间间隔。

容易理解的是，在利用流速法测量管道内流体流量时，管壁厚度可以忽略不计。

当测量管路200内的流体流量时，θ的大小为θ1。当测量管路300内的流体流量时，θ的大小为θ2。

为了提高流量测量装置的智能化程度和集成化程度，优选地，如图3所示，所述流量测量装置还包括控制模块400，该控制模块400用于根据公式(1)计算待测量的物体内的流体流量。

当待测量的物体为管道时，控制模块400能够按照以下公式(2)计算所述待测量的物体的直径：

其中，l为第一超声发射器发出超声信号后，第一个接收到管壁反射的超声波的第三信号接收器与第一超声发射器之间的距离。

在本发明中，各个第三信号接收器123的位置都是固定的，且各个第三信号接收器123与第一超声发射器121之间的距离也都是固定的，因此，很容易可以获得第一超声发射器发出超声信号后，第一个接收到管壁反射的超声波的第三信号接收器与第一超声发射器之间的距离l。

将第一超声发射器121设置为发射角度可调，可以提高所述流量测量装置的适用范围。

为了便于设置并便于计算第一超声发射器发出超声信号后，第一个接收到管壁反射的超声波的第三信号接收器与第一超声发射器之间的距离，优选地，多个第三信号接收器123等间隔设置。

为了便于观察，优选地，所述流量测量装置包括显示模块，所述显示模块用于显示测量结果。所述测量结果可以包括以下内容：待测量的物体的直径和/或待测量的物体内的流体的流量。

当然，显示模块还也可以显示其他内容，例如，显示第一个接收到第一超声发射器121发出的超声波的第三信号接收器的位置编号等信息。

为了便于对物体内流量进行观察、检测，优选地，所述流量测量装置还包括存储模块930，该存储模块930用于存储测量结果。可以将存储模块930中存储的数据导出至u盘940中，以便于对数据进行共享、分析等后续处理。

优选地，所述流量测量装置还可以包括存储器920。该存储器920用于存储控制模块400的代码参数等数据。

在本发明中，对固定部110的具体结构并没有特殊的限制，例如，作为本发明的一种实施方式，如图3所示，固定部110包括安装板111和分别设置在安装板111两侧的两个夹持板112，所述测量部安装在安装板111上，两个夹持板112之间的间隔能够调节。

由于两个夹持板112之间的间隔能够调节，因此，可以将所述流量测量装置设置在不同管径的管路上。

当测量管径相对较小的管路时，可以将两个夹持板112之间的间隔调小。当测量管径相对较大的管路时，可以将两个加夹持板112之间的间隔调大。

对于如何实现夹持板112之间的间隔可调并没有特殊的限制。例如，可以在安装板111上设置滑槽，并在至少一个夹持板112上设置滑块，该滑块能够在滑槽内滑动，从而实现夹持板112位置的可调。

在本发明中，可以用外接电源对所述流量测量装置进行测量。为了方便使用，优选地，所述流量测量装置还包括电源模块910，该电源模块910用于为所述流量装置供电。

为了便于控制，优选地，如图2和图3所示，所述流量测量装置还包括输入模块600，该输入模块600用于输入操作指令。

所述操作指令是针对控制模块400的。例如，所述操作指令可以是“测量开始指令”、“数据输出指令”、“数据存储指令”、“开机指令”和“关机指令”中的至少一者。在本发明中，对输入模块600的具体类型没有特殊的限定。输入模块600可以包括按键、鼠标、触摸屏中的至少一者。

优选地，所述流量测量装置还包括时钟模块700，该时钟模块700用于记录各个所述信号接收器接收到超声波信号的时间。该时钟模块700还有为控制控制模块400产生时序。

在本发明中，对如何产生超声波并没有特殊的要求。作为一种实施方式，如图3中所示，所述流量测量装置包括产生超声波信号的换能驱动模块810。该换能驱动模块810包括两个输出端，其中一个输出端与第一超声发射器121连接，另一个输出端与第二超声发射器122连接。

为了提高检测精度，优选地，所述流量测量装置还可以包括检测放大模块820，该检测放大模块820分别与各个信号接收器123的输出端电连接，以对第三信号接收器123输出的信号进行放大处理，从而可以更加精确地确定接收到超声波的信号接收器的位置。

作为本发明的第二个方面，提供一种流量测量方法，其中，如图4所示，所述流量测量方法包括：

在步骤s410中，沿待测量物体的表面分别设置第一超声发射器、多个信号接收器和第二超声发射器，所述信号接收器能够接收所述待测量的物体反射的超声波，多个所述信号接收器包括与所述第一超声发射器设置在相同位置处的第一信号接收器、与所述第二超声发射器设置在相同位置处的第二信号接收器和位于所述第一信号接收器和所述第二信号接收器之间的多个第三信号接收器；

在步骤s420中，启动第一超声发射器向所述待测量的物体发出超声波；

在步骤s430中，当所述第二信号接收器接收到所述待测量的物体反射的超声波时，启动第二超声发射器向所述待测量的物体发出超声波；

在步骤s440中，根据接收到所述待测量的物体反射的超声波的第三信号接收器的位置确定所述待测量的物体的尺寸；

在步骤s450中，根据所述第一超声发射器发出超声波的时间、所述第一信号接收器接收到超声波信号的时间以及所述待测量的物体的尺寸确定所述待测量的物体内的流体流量。

在步骤s440中，可以获得待测量的物体的尺寸，使得本发明所提供的上述方法测量事先不知道尺寸的物体内的流体流量。

作为一种优选实施方式，可以利用本发明所提供的上述流量测量装置实施所述流量测量方法。

作为一种常见的方式，所述待测量的物体为管道，相应地，步骤s450可以包括根据上文中所提供的公式(1)计算所述待测量的物体内的流体流量。

相应地，在步骤s440中，可以利用上文中所提供的公式(2)计算所述待测量物体的直径。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。