一种测量管道流体流速的装置及测量方法与流程

本发明涉及一种测量管道流体流速的装置和方法，尤其涉及一种采用高阶声学谐振原理测量小口径管道流体测速装置和方法，属于流量测量技术领域。

背景技术：

在工业应用中对于管径范围在12mm～50mm之间的小口径管道，受管径的限制，声学流量计的测量精度不能达到很高的要求。目前国内外著名的声学流量计生产公司主要都是针对燃气流量测量的应用场合，适用管径都较大，因此目前市面上基本不存在针对小管径、低流速管道流量测量的优秀产品。

声学测量管道流体流速的实质是测量流体流速对声信号的调制作用，当管道口径较小、流速较低时，流速对声波的调制作用十分微弱，要想精确测量十分困难。当在管道中构建了声学谐振回路时，流体流速反映在谐振频率的偏移上，通过选取高阶谐振频率，在不放大测量误差的基础上，放大由流速造成的频率偏移，降低测量难度，提高测量精度。利用驻波管声学特性保证双向谐振回路同时工作，通过正逆向谐振频率做差，可以有效地消除温度对声速的影响以及系统误差。目前已有很多学者研究针对大口径管道的超声流量计，但是并未显示有研究提出了高阶双向声谐振测速原理，不仅如此，利用驻波管声学特性实现正逆向同步工作的相关研究也未见有报道。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于解决传统声学流量计在小口径、低流速管道中测量精度不足的问题，提供一种采用双向高阶声学谐振原理测量管道流体流速的装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种采用双向高阶声学谐振原理测量管道流体流速的装置，包括声学谐振部分、电学谐振部分、换能器和数字微音器，这四个部分共同实现连续双频双向正弦谐振；其特征在于，所述声学谐振部分包括细长管道以及安装在所述细长管道两端的正向驻波管和逆向驻波管；所述细长管道从第一正向频率波腹点穿过所述正向驻波管，从第一逆向频率波腹点穿过逆向驻波管；

所述换能器包括正向换能器和逆向换能器，所述数字微音器包括正向数字微音器和逆向数字微音器；

所述正向驻波管的一端安装正向换能器，且所述正向驻波管中产生的声波传播方向与细长管道中流体流动方向一致；所述正向驻波管上还安装逆向数字微音器，所述逆向数字微音器位于正向频率波节点和第二逆向频率波腹点的重合点；所述逆向驻波管的一端安装逆向换能器，且所述逆向驻波管中产生的声波传播方向与所述的流体流动方向相反；所述逆向驻波管还安装正向数字微音器，所述正向数字微音器位于逆向频率波节点和第二正向频率波腹点的重合点。

进一步的，所述电学谐振部分包括前端放大模块、滤波选模模块、自动增益控制模块和推挽式功率放大模块，所述数字微音器的输出信号连接至所述前端放大模块，所述推挽式功率放大模块的输出直接驱动所述换能器。

进一步的，所述细长管道与所述正向驻波管、所述逆向驻波管相交位置的侧壁上均匀地开设八个长条形小槽，方便声波进出所述细长管道。且尽可能减小对驻波管内驻波分布的影响。

本发明还包括一种采用前述装置测量管道流体流速的方法。

该方法通过电学谐振部分对声学谐振部分产生的高阶谐振频率进行筛选，使得正、逆向谐振回路以不同阶次的谐振频率进行连续正弦谐振，利用驻波管内不同频率波节、波腹位置不同的声学特性来抑制本管声源发出的声波，使得数字微音器接收到来自远处的弱信号，降低两个谐振回路的互相干扰，从而实现双向回路同时工作，通过测量正、逆向谐振频率差，消除温度对测量结果的影响，实时计算流速变化。

本领域技术人员熟知，所述电学谐振部分中电信号的传播时间与声学谐振部分中声信号的传播时间相比非常短，可以忽略不计，声学谐振回路可以等效为环形谐振腔，谐振基频为声传播时间的倒数，当整个谐振回路的增益和相位满足条件时，谐振腔可以实现自激振荡，谐振腔中还存在很多高阶谐振频率，流速改变了环形谐振腔的等效长度，即改变谐振频率，高阶谐振频率将流速造成的频率偏移放大，通过测量双向谐振频率的差值计算流体流速。正向数字微音器可以在接收正向声波的时候不受近处逆向换能器发出的逆向声波影响，逆向数字微音器可以在接收逆向声波的时候不受近处正向换能器发出的正向声波影响。

进一步的，所述数字微音器将正弦声信号转换为正弦电信号，经过前端放大模块处理进入滤波选模模块，选择不同的高阶谐振频率，自动增益控制模块使得正弦电信号具有稳定的幅值，调理后的正弦电信号经过比较电路变为占空比可调的方波信号，以此控制推挽式功率放大模块输出类似正弦波的高压信号驱动换能器，将电信号转换为声信号。

更进一步的，正向换能器产生的声波会在正向驻波管中形成稳定驻波，并在第一正向频率波腹点处的正向声波幅值最大，正向声波通过细长管道传播至逆向驻波管，并在逆向驻波管中形成稳定驻波；

逆向换能器产生的声波会在逆向驻波管中形成稳定驻波，并在第一逆向频率波腹点处的逆向声波幅值最大，逆向声波通过细长管道传播至正向驻波管，并在正向驻波管中形成稳定驻波；正向声波在正向数字微音器处的幅值最大，逆向声波在此处幅值近似为零；逆向声波在逆向数字微音器处的幅值最大，正向声波在此处幅值近似为零。

本发明提出的双向高阶声学谐振测速法在声学谐振部分和电学谐振部分中形成了连续且完整的正弦谐振，可以通过谐振频率的实时变化来反映流体流速的变化。高阶谐振频率的选择能够使测速系统对于微小流速更加敏感，有助于提高小口径、低流速管道系统中流体流速测量精度。驻波管声学特性实现了双向谐振回路的同步工作，消除了传统声学测速方法中两个回路交替工作引入的误差，也使得两个回路能够完整连续的工作。双向回路同步工作，通过测量频率差可以消除温度对于测量结果精度的影响，抑制测量结果的温度漂移，进一步提升了测量精度。

附图说明

图1为双向高阶声学谐振法测量设备结构示意图；

图2为高阶声学谐振法测量原理示意图；

图中：声学谐振部分1、电学谐振部分2、前端放大模块5、滤波选模模块6、自动增益控制模块7、推挽式功率放大模块8、细长管道11、正向换能器121、逆向换能器122、第一正向频率波腹点123、第一逆向频率波腹点124、逆向数字微音器125、正向数字微音器126、正向驻波管127、逆向驻波管128、正向频率波节点129、第二逆向频率波腹点130、逆向频率波节点131、第二正向频率波腹点132、流体流动方向133。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更见清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所述实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，一种采用双向高阶声学谐振原理测量管道流体流速的装置，包括声学谐振部分1、电学谐振部分2、换能器和数字微音器，其特征在于，这四个部分共同实现连续双频双向正弦谐振；

所述声学谐振部分1包括细长管道11以及安装在所述细长管道11两端的正向驻波管127和逆向驻波管128；所述细长管道11从第一正向频率波腹点123穿过所述正向驻波管127，从第一逆向频率波腹点124穿过逆向驻波管128；

所述换能器包括正向换能器121和逆向换能器122，所述数字微音器包括正向数字微音器126和逆向数字微音器125；

所述正向驻波管127的一端安装所述正向换能器121，且所述正向驻波管127中产生的声波传播方向与所述细长管道11中流体流动方向133一致；所述正向驻波管127上还安装所述逆向数字微音器125，所述逆向数字微音器125位于正向频率波节点129和第二逆向频率波腹点130的重合点；所述逆向驻波管128的一端安装所述逆向换能器122，且所述逆向驻波管128中产生的声波传播方向与所述的流体流动方向133相反；在所述逆向驻波管128还安装所述正向数字微音器126，所述正向数字微音器126位于逆向频率波节点131和第二正向频率波腹点132的重合点。

所述电学谐振部分2包括前端放大模块5、滤波选模模块6、自动增益控制模块7和推挽式功率放大模块8，所述数字微音器的输出信号连接至所述前端放大模块5，所述推挽式功率放大模块8的输出直接驱动所述换能器。

所述细长管道11与所述正向驻波管127、所述逆向驻波管128相交位置的侧壁上均匀地开设八个长条形小槽，方便声波进出所述细长管道11，且尽可能减小对驻波管内驻波分布的影响。

本发明还包括一种采用前述装置测量管道流体流速的方法。

该方法通过电学谐振部分2对声学谐振部分1产生的高阶谐振频率进行筛选，使得正、逆向谐振回路以不同阶次的谐振频率进行连续正弦谐振，利用驻波管127、128内不同频率波节、波腹位置不同的声学特性来抑制本管声源发出的声波，使得数字微音器126、125接收到来自远处的弱信号，降低两个谐振回路的互相干扰，从而实现双向回路同时工作，通过测量正、逆向谐振频率差，消除温度对测量结果的影响，实时计算流速变化。

本领域技术人员熟知，所述电学谐振部分中电信号的传播时间与声学谐振部分中声信号的传播时间相比非常短，可以忽略不计，声学谐振回路可以等效为环形谐振腔，谐振基频为声传播时间的倒数，当整个谐振回路的增益和相位满足条件时，谐振腔可以实现自激振荡，谐振腔中还存在很多高阶谐振频率，流速改变了环形谐振腔的等效长度，即改变谐振频率，高阶谐振频率将流速造成的频率偏移放大，通过测量双向谐振频率的差值计算流体流速。正向数字微音器可以在接收正向声波的时候不受近处逆向换能器发出的逆向声波影响，逆向数字微音器可以在接收逆向声波的时候不受近处正向换能器发出的正向声波影响。

所述数字微音器126、125将正弦声信号转换为正弦电信号，经过所述前端放大模块5处理进入所述滤波选模模块6，选择不同的高阶谐振频率，所述自动增益控制模块7使得正弦电信号具有稳定的幅值，调理后的正弦电信号经过比较电路变为占空比可调的方波信号，以此控制所述推挽式功率放大模块8输出类似正弦波的高压信号驱动换能器121、122，将电信号转换为声信号。

所述正向换能器121产生的声波会在所述正向驻波管127中形成稳定驻波，并在所述第一正向频率波腹点123处的正向声波幅值最大，所述正向声波通过所述细长管道11传播至所述逆向驻波管128，并在所述逆向驻波管128中形成稳定驻波；

所述逆向换能器122产生的声波会在所述逆向驻波管128中形成稳定驻波，并在所述第一逆向频率波腹点124处的逆向声波幅值最大，所述逆向声波通过所述细长管道11传播至所述正向驻波管127，并在所述正向驻波管127中形成稳定驻波；

所述正向声波在所述正向数字微音器126处的幅值最大，所述逆向声波在此处幅值近似为零；所述逆向声波在所述逆向数字微音器125处的幅值最大，所述正向声波在此处幅值近似为零。

本领域的技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。