CN102749154A - 一种超声波测量流体介质温度的方法、装置及能量表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波测量流体介质温度的方法、装置、能量表及温度测量装置，其方法包括如下步骤：建立流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表并存储所述对应表；计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间和逆流传输时间；依据所述顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速；依据所述超声波在流体介质中的第一声速得到所述流体介质的温度。实施本发明的超声波测量流体介质温度的方法、装置、能量表及温度测量装置，具有以下有益效果：无需温度传感器、节省成本、安装方便。

Description

一种超声波测量流体介质温度的方法、装置及能量表

技术领域

本发明涉及计量用仪表领域，更具体地说，涉及一种超声波测量流体介质温度的方法、装置、能量表及温度测量装置。

背景技术

超声波热量表是通过超声波的方法测量流量及显示水流经热交换***所释放或吸收热能量的仪表。它通过两种传感器测得的物理量即热载体的流量和进出口的温度，再经过密度和热焓值的补偿及积分计算，才能得到热量值。它是一种以微处理器和高精度传感器为基础的机电一体化产品。超声波热量表是一种包含机械、电子和信息技术的高科技产品，目前在许多领域获得了成功的应用。

目前使用的超声波热量表通常需要将一对温度传感器分别安装在通过载热流体的上行管和下行管上，用以测量流体的温度，这样才能实现热量计量，但是，配备温度计会增加热量计设计成本；同时，温度传感器需与流体接触才能实现温度测量，故安装温度传感器须在管道上开孔，配备温度传感器增加热量计的安装难度。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述安装温度传感器带来的成本较高、安装不便的缺陷，提供一种无需温度传感器、节省成本、安装方便的超声波测量流体介质温度的方法、装置、能量表及温度测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种超声波测量流体介质温度的方法，包括如下步骤：

A）建立流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表并存储所述对应表；

B）计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间

和逆流传输时间

其中，L是超声波行走的路径长度，θ是超声波的传输方向与流体介质的流动方向夹角,且0°<θ<180°，c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度；

C）依据所述顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速

D）依据所述超声波在流体介质中的第一声速得到所述流体介质的温度。

在本发明所述的超声波测量流体介质温度的方法中，所述步骤D）中流体介质的温度是通过查找所述流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表得到的。

在本发明所述的超声波测量流体介质温度的方法中，所述流体介质的流动速度包括0。

本发明还涉及一种实现上述方法的装置，包括：

对应表建立及存储模块：用于建立流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表并存储所述对应表；

传输时间计算模块：用于计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间

和逆流传输时间

其中，L是超声波行走的路径长度，θ是超声波的传输方向与流体介质的流动方向夹角,且0°<θ<180°，c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度；

第一声速计算模块：用于依据所述顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速

介质温度获取模块：用于依据所述超声波在流体介质中的第一声速得到所述流体介质的温度。

在本发明所述的装置中，所述流体介质的温度是通过查找所述流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表得到的。

本发明还涉及一种利用上述方法的能量表，包括圆筒状的测量管，分别设置在所述测量管直径两端、其一端与所述测量管连接的顺流换能器和逆流换能器；还包括分别与所述顺流换能器和逆流换能器的另一端连接的控制单元，所述控制单元包括上述装置，所述控制单元用于控制所述顺流换能器和逆流换能器收发超声波信号，依据其取得的信号计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间和逆流传输时间，并依据取得的顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速，通过查找上述对应表得到所述流体介质的温度。

在本发明所述的能量表中，还包括与所述控制单元连接并用于显示的显示单元，以及与所述控制单元连接并用于供电的电源。

在本发明所述的能量表中，所述逆流换能器接收所述顺流换能器发出的超声波、并将超声波信号转换成电信号传送至所述控制单元；所述顺流换能器接收所述逆流换能器发出的超声波、并将超声波信号转换成电信号传送至所述控制单元，所述顺流换能器和所述逆流换能器之间的超声波传输方向与所述测量管长度方向之间的夹角为锐角。

在本发明所述的能量表中，所述电源的电压为直流电压10V~24V或直流电压10V~36V或交流电压220V。

本发明还涉及一种温度测量装置，所述温度测量装置为温度测量仪器或温度测量仪表，所述温度测量装置包括温度测量模块，所述温度测量模块包括所述装置，所述装置包括：

对应表建立及存储模块：用于建立流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表并存储所述对应表；

传输时间计算模块：用于计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间

和逆流传输时间

其中，L是超声波行走的路径长度，θ是超声波的传输方向与流体介质的流动方向夹角,且0°<θ<180°，c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度；

第一声速计算模块：用于依据所述顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速

介质温度获取模块：用于依据所述超声波在流体介质中的第一声速得到所述流体介质的温度；

所述流体介质的温度是通过查找所述流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表得到的。

实施本发明的超声波测量流体介质温度的方法、装置、能量表及温度测量装置，具有以下有益效果：由于通过测量流体介质中超声波通过某一固定长度路径的顺流传输时间和逆流传输时间，进而计算出超声波在流体介质中的第一声速，并由流体介质温度与超声波在流体介质中的第一声速的对应关系，进而得到流体介质的温度；因此不需要安装温度传感器即可获得流体介质的温度降低了能量表设计成本，同时，省去了安装温度传感器需在管道上开孔的限定，降低了能量表的安装难度，所以其无需温度传感器、节省成本、安装方便。

附图说明

图1是本发明超声波测量流体介质温度的方法、装置、能量表及温度测量装置一个实施例中方法的流程图；

图2是所述实施例中流体介质温度与超声波在流体介质中的第一声速的对应表图；

图3是所述实施例中装置的结构示意图；

图4是所述实施例中能量表的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域的普通技术人员能够理解并实施本发明，下面将结合附图对本发明实施例作进一步说明。

在本发明超声波测量流体介质温度的方法、装置、能量表及温度测量装置实施例中，其方法的流程图如图1所示，在图1中，其方法包括：

步骤S10建立温度与第一声速的对应表并存储：本实施例中，在进行计算超声波传输时间之前，要事先建立流体介质温度与超声波在该流体介质中的第一声速的对应表并存储该对应表，该对应表是经过大量的实验，对实验数据进行统计整理后得出的。本步骤中，流体介质为水，在一个大气压条件下，建立了水的温度与超声波在水中的第一声速的对应表（对应关系），其对应表请参见图2，稍后对图2也会有描述。当然，本实施例中的流体介质也可以为除水之外的其他流体介质，同样也可以建立上述其他流体介质温度与超声波在该流体介质中的第一声速的对应关系（对应表）。值得一提的是，在有些情况下，也可以不进行本步骤，例如：事先就存在这么一个流体介质温度与超声波在该流体介质中的第一声速的对应表，则不需再次建立该对应表，当需要测量流体介质的温度时，可直接拿来该对应表进行利用。

步骤S11计算超声波沿流体介质方向的顺流、逆流传输时间：本步骤中，计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间和逆流传输时间，本实施例中，超声波行走的路径长度为L，超声波的传输方向与流体介质的流动方向夹角为θ,这里，0°<θ<180°，超声波在非流动介质中的声速为c，流体介质的流动速度为V，计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间

和逆流传输时间

由于流体介质流动的原因（即当流体介质为动态流体介质时），使超声波顺流传输L长度的距离所用的时间比逆流传输所用的时间短，也即超声波沿流体介质（动态流体介质）方向的顺流传输时间t_d小于逆流传输时间t_u。值得一提的是，在本实施例中，流体介质的流动速度包括0，也就是说，本实施例中的流体介质可以为静态流体介质也可以为动态流体介质。

步骤S12计算超声波在流体介质中的第一声速：本步骤中，依据上述步骤S11得出的顺流传输时间t_d和逆流传输时间t_u计算超声波在流体介质中的第一声速

步骤S13获取流体介质的温度：本步骤中，依据上述步骤S12得出的超声波在流体介质中的第一声速c′，流体介质的温度通过上述对应表得到，具体就是通过查找上述步骤S10中建立的水的温度与超声波在水中的第一声速的对应表（对应关系）得到相应的流体介质（本实施例中流体介质为水）的温度；图2为流体介质温度与超声波在该流体介质中的第一声速的对应表图，更具体地说是水的温度与超声波在水中的第一声速的对应表图，图2中的对应表中，t为水的温度，其单位为℃，c′为超声波在水中的第一声速，其单位为m/s（米/秒）；流体介质的温度通过查找上述对应表得到，针对本实施例而言，具体来讲，依据得到的超声波在水中的第一声速c′，例如：若c′为1426.1m/s，则从对应表中查找出水的温度为5℃，若c′为1543.5m/s，则从对应表中查找出水的温度为51℃，同样，当c′为其他值时，可从对应表中查找出该第一声速值所对应的水的温度值；值得一提的是，该对应表是在一个大气压条件下得出的，换句话说，如果不是在一个大气压条件下，而是在别的条件下，则超声波在流体介质中的第一声速与流体介质温度的对应关系（也即对应表中的数据）就会发生变化；当然，在本实施例的一些情况下，对应表也可以是超声波在除水之外的其他流体介质中的第一声速与该流体介质温度的对应关系，同样有得到的超声波在此流体介质中的第一声速查找到其对应的该流体介质的温度。

本发明还涉及一种实现上述方法的装置，其结构示意图如图3所示，该装置包括对应表建立及存储模块11、传输时间计算模块12、第一声速计算模块13和介质温度获取模块14。在这些模块中，对应表建立及存储模块11用于建立流体介质温度与超声波在该流体介质中的第一声速的对应表并存储该对应表；传输时间计算模块12用于计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间

和逆流传输时间

其中，L是超声波行走的路径长度，θ是超声波的传输方向与流体介质的流动方向夹角,且0°<θ<180°，c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度；第一声速计算模块13用于依据顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速

介质温度获取模块14用于依据超声波在流体介质中的第一声速得到该流体介质的温度。值得一提的是，流体介质的温度通过查找上述对应表得到，具体就是在计算出超声波在流体介质中的第一声速的前提下，通过查找对应表建立及存储模块11建立的对应表，并根据对应表中流体介质温度与超声波在该流体介质中的第一声速的对应关系得到的。

本发明还涉及一种利用超声波测量流体介质温度的方法的能量表，图4是该能量表的结构示意图，本实施例中的能量表包括测量管50、顺流换能器512和逆流换能器511；其中，测量管50为圆筒状，顺流换能器512和逆流换能器511分别设置在测量管50直径两端、其一端与所述测量管连接；该能量表还包括控制单元2，控制单元2分别与上述顺流换能器512和逆流换能器511的另一端连接，控制单元2包括本实施例中的上述装置（即实现本实施例中上述方法的装置），控制单元2用于控制顺流换能器512和逆流换能器511收发超声波信号，依据其取得的信号计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间和逆流传输时间，并依据取得的顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速，通过查找对应表得到该流体介质的温度。该能量表还包括显示单元3和电源4；其中，显示单元3与上述控制单元2连接并用于显示，具体来讲，显示单元3用于显示时间、温度、电压和热量等参数，显示单元3包括LCD显示屏或LED显示屏，电源4与控制单元2连接并用于供电。本实施例中电源4的电压为直流电压10V~24V或直流电压10V~36V或交流电压220V。

图4中，f为流体介质的流动方向，L为超声波行走的路径长度，θ为超声波的传输方向与流体介质的流动方向夹角,且0°<θ<180°，t_d为超声波沿流体介质方向的顺流传输时间，t_u为超声波沿流体介质方向的逆流传输时间，D为测量管50的内直径；值得一提的是，顺流换能器512和逆流换能器511之间的超声波传输方向与测量管50长度方向之间的夹角为锐角。逆流换能器511接收顺流换能器512发出的超声波、并将超声波信号转换成电信号传送至所述控制单元2；顺流换能器512接收逆流换能器511发出的超声波并将超声波信号转换成电信号传送至控制单元2。具体来讲，电源4被接通后，当顺流换能器512被控制单元2触发时，顺流换能器512发出超声波，超声波沿预定的路径方向传输（这里预定的路径方向其实就是超声波的传输方向与流体介质的流动方向的夹角为θ，且0°<θ<180°，夹角θ的大小由顺流换能器512和逆流换能器511之间的相对位置来确定），上述逆流换能器511接收顺流换能器512发出的超声波、并将超声波信号转换成电信号传送至控制单元2；控制单元2依据其取得的电信号计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间t_d并进行保存，控制单元2触发显示单元3显示顺流传输时间t_d的值；当控制单元2触发逆流换能器511，逆流换能器511发出超声波，超声波沿其在顺流方向传输的相反路径传播，顺流换能器512接收逆流换能器511发出的超声波、并将超声波信号转换成电信号传送至控制单元2，控制单元2依据其取得的电信号计算超声波沿流体介质方向的逆流传输时间t_u并进行保存，控制单元2触发显示单元3显示逆流传输时间t_u的值。控制单元2依据顺流传输时间t_d和逆流传输时间t_u计算超声波在流体介质中的第一声速c′，并查找出对应的流体介质的温度，显示单元3显示其温度值。根据顺流传输时间t_d和逆流传输时间t_u的差、超声波的传输方向与流体介质的流动方向夹角θ、测量管50的内直径D和流体介质的流动速度V，控制单元2计算出流量，并依据温度和流量进而得出热量，显示单元3显示其热量值。

本发明还涉及一种温度测量装置，该温度测量装置为温度测量仪器或温度测量仪表，该温度测量装置包括温度测量模块，该温度测量模块包括本实施例中的上述装置。

总之，在本实施例中，时间（顺流传输时间t_d和逆流传输时间t_u）测量精度较高，其精度达到10^-9（ns级），超声波在流体介质中的第一声速c′的计算精度较高，其偏差（

其中，Δt为传输时间差，即Δt为顺流传输时间t_d和逆流传输时间t_u的差，Δt=t_u-t_d；t为平均传输时间，

）在10^-5以内，图2中的对应表在0℃~75℃范围内温度计算偏差在10^-4以内。本实施例中的能量表不需要安装温度传感器即可获得流体介质的温度，降低了能量表的设计成本，同时，省去了安装温度传感器需在管道上开孔的限定，降低了能量表的安装难度，所以其无需温度传感器、节省成本、安装方便。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种超声波测量流体介质温度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

A）建立流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表并存储所述对应表；

B）计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间

和逆流传输时间

其中，L是超声波行走的路径长度，θ是超声波的传输方向与流体介质的流动方向夹角,且0°<θ<180°，c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度；

C）依据所述顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速

D）依据所述超声波在流体介质中的第一声速得到所述流体介质的温度。

2.根据权利要求1所述的超声波测量流体介质温度的方法，其特征在于，所述步骤D）中流体介质的温度是通过查找所述流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表得到的。

3.根据权利要求2所述的超声波测量流体介质温度的方法，其特征在于，所述流体介质的流动速度包括0。

4.一种实现如权利要求1所述的超声波测量流体介质温度的方法的装置，其特征在于，包括：

对应表建立及存储模块：用于建立流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表并存储所述对应表；

传输时间计算模块：用于计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间

和逆流传输时间

其中，L是超声波行走的路径长度，θ是超声波的传输方向与流体介质的流动方向夹角,且0°<θ<180°，c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度；

第一声速计算模块：用于依据所述顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速

介质温度获取模块：用于依据所述超声波在流体介质中的第一声速得到所述流体介质的温度。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述流体介质的温度是通过查找所述流体介质温度与超声波在所述流体介质中的第一声速的对应表得到的。

6.一种利用如权利要求1所述的超声波测量流体介质温度的方法的能量表，其特征在于，包括圆筒状的测量管，分别设置在所述测量管直径两端、其一端与所述测量管连接的顺流换能器和逆流换能器；还包括分别与所述顺流换能器和逆流换能器的另一端连接的控制单元，所述控制单元包括如权利要求5所述的装置，所述控制单元用于控制所述顺流换能器和逆流换能器收发超声波信号，依据其取得的信号计算超声波沿流体介质方向的顺流传输时间和逆流传输时间，并依据取得的顺流传输时间和逆流传输时间计算超声波在流体介质中的第一声速，通过查找对应表得到所述流体介质的温度。

7.根据权利要求6所述的超声波测量流体介质温度的能量表，其特征在于，还包括与所述控制单元连接并用于显示的显示单元，以及与所述控制单元连接并用于供电的电源。

8.根据权利要求7所述的超声波测量流体介质温度的能量表，其特征在于，所述逆流换能器接收所述顺流换能器发出的超声波、并将超声波信号转换成电信号传送至所述控制单元；所述顺流换能器接收所述逆流换能器发出的超声波、并将超声波信号转换成电信号传送至所述控制单元，所述顺流换能器和所述逆流换能器之间的超声波传输方向与所述测量管长度方向之间的夹角为锐角。

9.根据权利要求7或8所述的超声波测量流体介质温度的能量表，其特征在于，所述电源的电压为直流电压10V~24V或直流电压10V~36V或交流电压220V。

10.一种温度测量装置，其特征在于，所述温度测量装置为温度测量仪器或温度测量仪表，所述温度测量装置包括温度测量模块，所述温度测量模块包括如权利要求5所述的装置。

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