本发明涉及管道流量测量领域，特别是涉及一种非满管的超声波流量计及超声波流量测量系统。
背景技术：
随着工业的发展，在一些场合，例如废水处理，市政排水、农业灌溉等经常需要用到流量测量。其中，起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用来测量管道流量的仪器，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。其一般采用时差式测量原理：第一个探头发射信号穿过流体后，被第二个探头接收到，同时，第二个探头发射信号被第一个探头接收到，由于受到流体流速的影响，二者存在时间差，根据时间差可以推算得出流速，进而可以根据流速得到流量。
但是，在一些实际应用场景中，管道中的流体经常没有充满管道，也就是说为非满管的状态。由于非满管流体流动状态与满管流体流动状态完全不同，再加上流体液位变化的影响，非满管流体流动的复杂性将大于满管流体的复杂性，因此，非满管的流量测量具有一定困难性。
综上，非满管的流量测量非常具有研究意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种非满管的超声波流量计及超声波流量测量系统，用以解决传统超声波流量计无法测量非满管流量的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种非满管的超声波流量计，包括设置于经过管道几何中心的水平方向上的第一超声波传感器和第二超声波传感器，设置于经过所述管道几何中心的竖直方向上的第三超声波传感器，以及与所述第一超声传感器、所述第二超声波传感器和所述第三超声波传感器相连接的中央处理器；
其中，所述第一超声波传感器用于向所述第二超声波传感器发出第一超声波，并接收所述第二超声波传感器发出的第二超声波；
所述第二超声波传感器用于向所述第一超声波传感器发出所述第二超声波，并接收所述第一超声波传感器发出的所述第一超声波；
所述第三超声波传感器用于向所述管道内部的液体液面发出第三超声波，并接收从所述液体液面反射回来的所述第三超声波；
所述中央处理器用于根据所述第一超声波从发出到接收的第一时间段，和所述第二超声波从发出到接收的第二时间段计算得到所述管道内部的液体流速，所述中央处理器还用于根据所述第三超声波从发出到接收的第三时间段计算得到所述管道内部的液体高度，并根据所述液体流速和所述液体高度计算得到液体流量信息。
优选的，所述第一超声波传感器和所述第二超声波传感器分别设置于所述管道相对应的两侧。
优选的，所述第三超声波传感器设置在所述管道的正上方。
优选的，所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器和所述第三超声波传感器分别设置在第一探头、第二探头和第三探头上，所述第一探头、所述第二探头和所述第三探头均贯穿所述管道的管壁。
优选的，所述第一探头和所述第二探头分别与第一超声波换能器相连接，所述第三探头与第二超声波换能器相连接，所述第一超声波换能器和所述第二超声波换能器均用于将电能转换为超声波，所述第一超声波换能器与所述第二超声波换能器的超声波输出频率不同。
优选的，所述非满管的超声波流量计设置有显示屏，所述显示屏与所述中央处理器向连接，所述显示屏用于显示所述液体流量信息。
优选的，所述显示屏周围设置有功能按钮，所述功能按钮用于响应于用户的按压实现对所述非满管的超声波流量计的参数设置。
优选的，所述非满管的超声波流量计设置有计时器，所述计时器用于每隔预设时间段向所述中央处理器发送计算指令，所述中央处理器响应于所述计算指令计算所述液体流量信息。
优选的，所述非满管的超声波流量计设置有存储器，所述存储器用于保存每隔所述预设时间段的液体流量信息。
本发明还提供了一种非满管的超声波流量测量系统，包括如上所述的非满管的超声波流量计。
本发明所提供的非满管的超声波流量计，包括设置于经过管道几何中心的水平方向上的第一超声波传感器和第二超声波传感器，设置于经过所述管道几何中心的竖直方向上的第三超声波传感器，以及与所述第一超声传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器相连接的中央处理器。可见，本发明提供的非满管的超声波流量计通过第一超声波传感器与第二超声波传感器相互发送第一超声波和第二超声波，第三超声波传感器向液面发送并接收从液面反射回来的第三超声波，中央处理器根据第一超声波和第二超声波的传输时间，即第一时间段和第二时间段，计算得到管道内部液体的流速，根据第三超声波的传输时间，即第三时间段，计算得到管道内部液体高度，最后根据液体流速和液体高度计算得到液体流量信息，最终实现了测量非满管液体流量的目的。
本发明还提供了一种非满管的超声波流量测量系统，其作用与上述非满管的超声波流量计的作用相对应，这里不再赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的非满管的超声波流量计实施例一的结构示意图；
图2-1为本发明提供的一种安装了第一超声波传感器和第二超声波传感器的管道俯视图；
图2-2为本发明提供的另一种安装了第一超声波传感器和第二超声波传感器的管道俯视图；
图3为本发明提供的非满管的超声波流量计实施例二结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种非满管的超声波流量计及超声波流量测量系统，实现了测量非满管流量的目的。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面开始详细介绍本发明提供的非满管的超声波流量计，参见图1，图1为本发明提供的非满管的超声波流量计实施例一的结构示意图，该超声波流量计具体包括：设置于经过管道几何中心的水平方向上的第一超声波传感器100和第二超声波传感器200，设置于经过所述管道几何中心的竖直方向上的第三超声波传感器300，以及与所述第一超声传感器、所述第二超声波传感器和所述第三超声波传感器相连接的中央处理器400。
超声波流量计是一种非接触式仪表，它既可以测量大管径的介质流量,也可以用于不易接触和观察的介质的测量。它的测量准确度很高，几乎不受被测介质的各种参数的干扰，尤其可以解决其它仪表不能的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。本发明提供的非满管的超声波流量计设置有三个超声波传感器，超声波传感器是一种既可以发射超声波，也可以接收超声波的传感器。
其中，第一超声波传感器100用于向第二超声波传感器发出第一超声波，并接收所述第二超声波传感器200发出的第二超声波；所述第二超声波传感器用于向所述第一超声波传感器发出所述第二超声波，并接收所述第一超声波传感器发出的所述第一超声波；第三超声波传感器300用于向所述管道内部的液体液面发出第三超声波，并接收从所述液体液面反射回来的所述第三超声波。需要说明的是，这里本发明所提及的第一超声波传感器、第二超声波传感器和第三超声波传感器只是一种命名方式。
在发射和接收超声波的同时，一方面，中央处理器400会计算所述第一超声波从发出到接收的第一时间段，和所述第二超声波从发出到接收的第二时间段，然后根据所述第一时间段和所述第二时间段计算得到所述管道内部的液体流速。
具体的，假设第一超声波传感器位于管道上游，第二超声波传感器位于管道下游，其原理主要为，第一超声波传感器向第二超声波传感器发送的第一超声波，在传输过程中会叠加管道内液体自身的速度；相反的，第二超声波传感器向第一传感器发送的第二超声波，会在从传输过程中减小管道内液体自身的速度。而二者传输的距离d还相等，超声波的速度为光速c，中央处理器测得第一超声波和第二超声波传输的时间段t1和t2，假设管道内液体流速为v，则有d＝(c+v)*t1＝(c-v)*t2，根据上式即可求得液体流速v。
另一方面，所述中央处理器还用于根据所述第三超声波从发出到接收的第三时间段计算得到所述管道内部的液体高度。
具体的，假设第三超声波传感器设置于管道正上方，管道直径为r，第三超声波传输的时间段为t3，管道内液体高度为h，则有d-h＝c*t3/2，根据上式即可计算得到液体高度。
左后，所述中央处理器还用于根据所述液体流速和所述液体高度计算得到液体流量信息。
具体的，我们知道液体流量等于液体横截面积乘以液体流速，那么首先根据前面求得液体高度h，和几何知识即可求得液体横截面积s，最后结合液体流速v，即可求得流量信息q＝s*v，这里不再详细描述其公式转换过程。
关于超声波传感器的安装位置，参见图2-1和图2-2，图2-1和图2-2为两种安装第一超声波传感器和第二超声波传感器的管道的俯视图。如图2-1所示，第一超声波传感器和第二超声波传感器可以设置于经过管道集合中心的水平面上相对的两侧，这种情况下，超声波传输方向如图所示，形状类似一个字母z，因此这种安装方式被称为z型安装。如图2-2所示，第一超声波传感器和第二超声波传感器可以设置在经过管道几何中心的水平面上的同一侧，这种情况下，超声波的传输方向如图2-2所示，形状类似一个字母v，因此这种安装方式被称为v型安装。
关于第三超声波传感器的安装位置，如上所述安装在经过管道几何中心的竖直方向上，具体的可以安装在管道的正上方，也可以安装在管道的正下方。需要说明的是，本发明对各个超声波传感器的具体安装位置不做限定。另外，关于传感器的安装方式，常见的，有插入式、外夹式和管段式等安装方式，本发明对此也不做限定。
本实施例中可以采用插入式安装方式，具体的，可以将所述第一超声波传感器、所述第二超声波传感器和所述第三超声波传感器分别设置在第一探头、第二探头和第三探头上，然后在安装过程中将所述第一探头、所述第二探头和所述第三探头贯穿所述管道的管壁。
超声波换能器是一种将电能转换为超声波能的设备，本实施例中，各个超声波传感器均与超声波换能器相连接。为了保证测量的准确性，如图3所示，在本发明提供的非满管的超声波流量计实施例二中，用于测量液体流速的所述第一探头和所述第二探头分别与第一超声波换能器510相连接，用于测量液体高度的所述第三探头与第二超声波换能器520相连接。值得注意的是，所述第一超声波换能器与所述第二超声波换能器的超声波输出频率不同。优选的，第一超声波换能器的超声波输出频率可以设置为1mhz，而第二超声波换能器的超声波输出频率可以设置为40khz。
此外，参见图3，所述非满管的超声波流量计可以设置有显示屏600，所述显示屏与所述中央处理器向连接。所述显示屏用于显示所述液体流量信息，除此之外，还可以显示液体流速、液体高度、测量时间等信息。甚至可以选用触摸显示屏，或者设置如图3所示的功能按钮700，测量人员可以通过按压功能按钮，或者点击触摸屏，对非满管的超声波流量计进行参数设置。
考虑到实际应用场景，并不需要24小时不间断的测量管道的流量信息，参见图3，可以为所述非满管的超声波流量计设置计时器800，所述计时器用于每隔预设时间段向所述中央处理器发送计算指令，所述中央处理器响应于所述计算指令计算所述液体流量信息。借助这种方式，即可实现每隔预设时间测量一次流量信息，在一定程度上简化了流量测量的过程。
最后，参见图3，可以为所述非满管的超声波流量计设置存储器900，利用所述存储器将各个时段管道内的流量信息保存下来，以便于后期查询参考。
以上对本发明提供的非满管的超声波流量计实施例一和实施例二进行了介绍，综上可知，本发明提供的非满管的超声波流量计通过第一超声波传感器与第二超声波传感器相互发送第一超声波和第二超声波，第三超声波传感器向液面发送并接收从液面反射回来的第三超声波，同时中央处理器根据第一超声波和第二超声波的传输时间，即第一时间段和第二时间段，计算得到管道内部液体的流速，根据第三超声波的传输时间，即第三时间段，计算得到管道内部液体高度，最后根据液体流速和液体高度计算得到液体流量信息，最终实现了测量非满管液体流量的目的。
本发明还提供了一种非满管的超声波流量测量系统，该超声波流量测量系统采用了如上所述的非满管的超声波流量计。其中，关于非满管的超声波流量计的介绍可以参见上述非满管的超声波流量计实施例一和实施例二的相关描述，在此不再展开介绍。
由于本发明提供的非满管的超声波流量测量系统采用了如上所述的非满管的超声波流量计，因此其作用与上述非满管的超声波流量计的作用相对应，这里不再赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的非满管的超声波流量计及超声波流量测量系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。