CN104457871A - 一种流量计及流体测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种流量计及流体流量测量方法，该流量计包括设置于管道壁上的第一换能器、第二换能器及第三换能器。第三换能器和第一换能器位于管道的同一横截面上，第二换能器位于与第三换能器和第一换能器所在横截面不同的另一横截面上。其中，第一换能器设置成用于发送第一声波而第三换能器设置成用于接收第一声波，以便计算声波在静止流体中的基本速度；第一换能器设置成用于发送第二声波而第二换能器设置成用于接收第二声波，以便测量信号的第一飞行时间；第二换能器设置成用于发送第三声波而第一换能器设置成用于接收第三声波，以便测量信号的第二飞行时间。该流量计基于基本速度、第一飞行时间和第二飞行时间来计算管道内流体的流量。

Description

一种流量计及流体测量方法

技术领域

本发明涉及一种流量计及流体测量方法。

背景技术

为测量流体流量，通常在用户的进流体管道处安装流体测量计。比如为测量水流量，通常在每户的进水管上安装自来水表，现在的自来水表一般采用数字式旋翼湿式水表，其采用数字式计数取代指针式计数器记录水量，在壳体内，采用转换齿轮使数字式计数器与减速齿轮相配合，在壳体上面的表盘开一窗口，便于数字式计数器记录的数据显示，其不足是：结构复杂，成本高，检修维护繁琐，使用寿命短，并且该结构由于计数器直接与水接触，很容易使水垢沉淀在字轮表面，影响水表读数，同时，这种水表长期使用，容易导致齿轮磨损，测量精度降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种流量计及流体测量方法。

根据本发明的一个方面，提供一种流量计，其包括设置于管道壁上的第一换能器、第二换能器及第三换能器。第三换能器和第一换能器位于管道的同一横截面上，第二换能器位于与第三换能器和第一换能器所在横截面不同的另一横截面上。其中，第一换能器设置成用于发送第一声波而第三换能器设置成用于接收第一声波，以便计算声波在静止流体中的基本速度；第一换能器设置成用于发送第二声波而第二换能器设置成用于接收第二声波，以便测量信号的第一飞行时间；第二换能器设置成用于发送第三声波而第一换能器设置成用于接收第三声波，以便测量信号的第二飞行时间。该流量计基于基本速度、第一飞行时间和第二飞行时间来计算管道内流体的流量。

可选择地，第二换能器在管道内流体流动方向上位于第三换能器和第一换能器的下游，第一换能器为顺流换能器，第二换能器为逆流换能器，第三换能器为横向换能器，第一飞行时间为顺流飞行时间，第二飞行时间为逆流飞行时间。

可选择地，第二换能器在管道内流体流动方向上位于第三换能器和第一换能器的上游，第一换能器为逆流换能器，第二换能器为顺流换能器，第三换能器为横向换能器，第一飞行时间为逆流飞行时间，第二飞行时间为顺流飞行时间。

根据本发明的另一个方面，提供一种流体流量测量方法，该方法包括：(1)、在管道壁上设置第一换能器、第二换能器及第三换能器，其中，第三换能器和第一换能器位于管道的同一横截面上，第二换能器位于与第三换能器和第一换能器所在横截面不同的另一横截面上；(2)、控制第一换能器发送第一声波并控制第三换能器接收第一声波，以便计算声波在静止流体中的基本速度；(3)、控制第一换能器发送第二声波并控制第二换能器接收第二声波，以便测量信号的第一飞行时间；(4)、控制第二换能器发送第三声波并控制第一换能器接收第三声波，以便测量信号的第二飞行时间；以及(5)、基于基本速度、第一飞行时间和第二飞行时间来计算管道内流体的流量。

可选择地，根据本发明实施例提供一种流量计，包括：顺流换能器、逆流换能器及横向换能器，其中顺流换能器、逆流换能器及横向换能器处于经过管道径向轴心的同一平面上，横向换能器和逆流换能器沿着平行于管道径向轴心的方向设置，横向换能器和逆流换能器的直线距离为X，横向换能器与顺流换能器的直连线垂直于管道径向轴心且与该管道径向轴心线相交，横向换能器与顺流换能器的直连线距离为管道直径D，顺流换能器、逆流换能器及横向换能器的两两直连线就构成了一个直角三角形。

可选择地，根据本发明实施例还提供一种流体测量方法，该方法应用流量计来实现，所述流量计包括顺流换能器、逆流换能器及横向换能器，其中顺流换能器、逆流换能器及横向换能器处于经过管道径向轴心的同一平面上，横向换能器和逆流换能器沿着平行于管道径向轴心的方向设置，横向换能器和逆流换能器的直线距离为X，横向换能器与顺流换能器的直连线垂直于管道径向轴心且与该管道径向轴心线相交，横向换能器与顺流换能器的直连线距离为管道直径D，顺流换能器、逆流换能器及横向换能器的两两直连线构成一个直角三角形，其中横向换能器和逆流换能器的直连线X、横向换能器和顺流换能器的直连线Y分别构成该直角三角形的两个直角边，而顺流换能器与逆流换能器的直连线L作为该直角三角形的斜边，Y的长度等于管道直径D；利用测量所得的声音速度和顺流/逆流时间差，计算水流速度，用水流速度乘以管道截面积得到流体在单位时间内的流量。

可选地，所述流量计为液体流量计。

可选地，所述流量计为水表。

可选地，所述流量计为热量计。

可选地，所述声波为超声波。

本发明的有益效果是：只需精确测算声波速度，再加上顺流和逆流的声波传输时间差，即可计算流体速度，而顺流和逆流传输时间中的***误差则被抵消了，而且不需要校准时钟，所以，测试简单，易于控制，且精度高。

附图说明

图1示出了本发明实施例的声波流量计的结构示意图。

具体实施方式

请参照图1，为本发明实施例的声波流量计的示意图，该流量计以水表为例，声波以超声波为例来说明，该流量计包括3个超声波换能器：顺流换能器11、逆流换能器12及横向换能器13。其中顺流换能器11、逆流换能器12及横向换能器13处于经过管道径向轴心的同一平面上，横向换能器13和逆流换能器12沿着平行于管道径向轴心的方向设置，横向换能器13和逆流换能器12的直线距离为X，横向换能器13与顺流换能器11的直连线垂直于管道径向轴心且与该管道径向轴心线相交，横向换能器13与顺流换能器11的直连线距离为管道直径D。这样，顺流换能器11、逆流换能器12及横向换能器13的两两直连线就构成了一个直角三角形，其中横向换能器13和逆流换能器12的直连线X、横向换能器13和顺流换能器11的直连线Y分别构成该直角三角形的两个直角边，而顺流换能器11与逆流换能器12的直连线L作为该直角三角形的斜边。Y的长度等于管道直径D。

如图1所示，假定流体的流动速度为V，管道直径为D，流体流动的方向为沿着管道径向从横向换能器13到逆流换能器12的方向。

一方面通过横向换能器13与逆流换能器12测试出实时的声音速度，另一方面，通过斜角设置的顺流换能器11与逆流换能器12，测试顺流和逆流两个方向声波的传输时间差，由此即可计算流体流动的速度，进而可以计算流体的流量。

参看图1，控制顺流换能器11发射超声波，在逆流换能器12接收该顺流换能器11发射的超声波，可以计算出超声波从顺流换能器11到达逆流换能器12的飞行时间T_上游，即公式(1)；从逆流换能器12发射超声波，在顺流换能器11接收逆流换能器12发射的超声波，可以计算出超声波从逆流换能器12到达顺流换能器的飞行时间T_下游，即公式(2)：

其中V为流体的流动速度，D为管道直径，L为从顺流换能器11到逆流换能器12的直线距离，c为超声波在流体中的传播速度，θ为L与X的夹角。

由公式(1)和(2)分别可以得到公式(1’)和(2’)

由于L＝D/sinθ.................................................................(3)

结合公式(1’)、(2’)和(3)，可以得到公式(4)

将公式(4)变形后即可得到

进一步变形后得到公式(4’)

根据公式(4’)便可以求出流体的流速V，将流体的流速V乘上管道截面积就能算出流量了，即公式(5)：

q_v.＝π·D²·V/4............................................(5)

其中q_V为单位时间内的流量值，D为管道直径，π为圆周率。

但按照这个方法，就需要计量绝对准确的飞行时间T_上游和T_下游，而在实现中就会存在诸多麻烦，如：

(a)由于测量时钟会受到温度等因素的影响，需要实时校准；

(b)在测量飞行时间过程中，超声波在水中的速度非常快(约1450米/秒)，而测量距离又比较短，例如户用水管直径2厘米，超声波飞行距离约5厘米左右，因此飞行时间很短，就需要测量精确，而测量电路中包括一些烈过程，如脉冲形成，换能器起振，电路路径延时等等，这就可能会造成***误差。

所以，直接应用公式测量流体速度有一些难度。

那么，换一种思路，将***误差抵消掉，不需要校准时钟，这样就可以降低难度，实现起来容易一些。根据公式(1’)和(2’)可以变换得到公式(1”)和(2”)：

其中，V是流体的流速，L为从顺流换能器11到逆流换能器12的直线距离，c为超声波在流体中的传播速度，θ为L与X的夹角。

从公式(1”)和(2”)可以得到公式(6)：

假设

Δt＝T_下游-T_上游...................................................................(7)，

则有：

$V\·\cos \mathrm{\θ}=-\frac{L}{\mathrm{\Δt}}\±\sqrt{{(L/\mathrm{\Δt})}^2+c^2}\·\·\·\left(8\right)$

在公式(8)中除去不合理的解，则可以得到公式(9)：

$V=\frac{\sqrt{L^2+{(c\·\mathrm{\Δt})}^2}-L}{\mathrm{\Δt}\·\cos \mathrm{\θ}}\·\·\·\left(9\right)$

从公式(9)可以看到，只要测出声速c和飞行时间差Δt，即可计算流体速度，其余参数的精度L、θ则由管道尺寸来确定，这样的好处在于消除了测量飞行时间的***误差，而且，由于采用相同的时钟测量声速和时间差，因而不必校准时钟，在测量时间时，只需按比例计算即可。

一个新的问题就是测量流体中的声速，该声速要受到温度、压力等因素的影响，因而有必要实时测量，本发明中在管道的横向直接测量声速。

流体在管道中流动时，一般认为只有径向的流动速度，而横向流动速度可以看作是0，即可以忽略不计横向速度。因此，本发明利用这点，可以实时地测量声音在流体中的传播速度。

参看图1，顺流换能器11发送超声波，横向换能器13接收信号，测量信号的飞行时间，即可计算声速，即公式(10)

c＝D/T....................................................................(10)

其中，c为超声波在流体中的传播速度；D是管道直径；T是从顺流换能器11发射超声波开始，至横向换能器13接收信号止，其间信号的飞行时间。

另外，由于

$\cos \mathrm{\θ}=\frac{X}{L}\·\·\·\left(11\right)$

则根据以下公式(5)(6)(7)(9)(10)(11)组成的方程组可以得到单位时间内通过管道的流量值q_V。

在该方程组中，q_V为单位时间内的流量值，D为管道直径，π为圆周率，V是流体在管道径向的流速，L为从顺流换能器11到逆流换能器12的直线距离，c为超声波在流体中的传播速度，θ为L与X的夹角，T是从顺流换能器11发射超声波开始，至横向换能器13接收信号止，其间信号的飞行时间，X为横向换能器13和逆流换能器12的直线距离。

一般的方法是，通过测试顺流和逆流声波传输时间来计算流速，这需要绝对准确的测量才能正确计算。

而本发明只需精确测算声波速度，再加上顺流和逆流的声波传输时间差，即可计算流体速度，而顺流和逆流传输时间中的***误差则被抵消了，而且不需要校准时钟，所以，测试简单，易于控制，且精度高。

本发明通过横向换能器，测量声音在水中的传播速度c，然后根据c以及通过测量得到顺流和逆流飞行时间差，计算水流速度。

本发明还有一个特征：所有事件计量都基于同一个时钟，那么测量的声速、时间差等参数不一定是真实值，但最后的计算结果(水流速度)却是正确的。

垂直方向测量声音速度的基础上，与常规的超声波计量方式结合，可以产生多种变种，例如：

1)单声道有Z法(透过法)和V法(反射法)两种；

2)双声道有X法(2Z法、交差法)、2V法和平行法三种；

3)四声道有4Z法和平行法两种；

4)八声道有平行法和两平行四声道交差法二种。

实际电路中，为计算速度，是采用内部时钟来对时间计数，因此，时间精度就与该内部时钟的精度有关，如果要计算绝对时间的话，就需要对时钟进行校准，但本发明采用特殊算法就可以避免时钟校准，具体做法是采用同样的时钟测量横向飞行时间、顺流飞行时间、逆流飞行时间。

以上实施例只是本发明的具体说明，实际上，声波不限于超声波，也可以其他速度的声音，所测量的流体不限于液体，也可以是热量等。所述液体不限于水，也可能是其他需要测定的流体，比如水银。本发明实施例实际上也可以适用于气体。

尽管在此已详细描述本发明的某些实施方式，但要理解的是本发明并不局限于这里详细描述和示出的具体结构，在不偏离本发明的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。

Claims (10)

1.一种流量计，其特征在于，包括设置于管道壁上的第一换能器、第二换能器及第三换能器，所述第三换能器和所述第一换能器位于管道的同一横截面上，所述第二换能器位于与所述第三换能器和所述第一换能器所在横截面不同的另一横截面上，其中，所述第一换能器设置成用于发送第一声波而所述第三换能器设置成用于接收第一声波，以便计算声波在静止流体中的基本速度；所述第一换能器设置成用于发送第二声波而所述第二换能器设置成用于接收第二声波，以便测量信号的第一飞行时间；所述第二换能器设置成用于发送第三声波而所述第一换能器设置成用于接收第三声波，以便测量信号的第二飞行时间；所述流量计基于所述基本速度、所述第一飞行时间和所述第二飞行时间来计算管道内流体的流量。

2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述第二换能器在管道内流体流动方向上位于所述第三换能器和所述第一换能器的下游，所述第一换能器为顺流换能器，所述第二换能器为逆流换能器，所述第三换能器为横向换能器，所述第一飞行时间为顺流飞行时间，所述第二飞行时间为逆流飞行时间。

3.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述第二换能器在管道内流体流动方向上位于所述第三换能器和所述第一换能器的上游，所述第一换能器为逆流换能器，所述第二换能器为顺流换能器，所述第三换能器为横向换能器，所述第一飞行时间为逆流飞行时间，所述第二飞行时间为顺流飞行时间。

4.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流量计为液体流量计。

5.根据权利要求4所述的流量计，其特征在于，所述流量计为水表。

6.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，所述流量计为热量计。

7.根据权利要求1～6中任一所述的流量计，其特征在于，所述声波为超声波。

8.一种流体流量测量方法，其特征在于，该方法包括：(1)、在管道壁上设置第一换能器、第二换能器及第三换能器，其中，所述第三换能器和所述第一换能器位于管道的同一横截面上，所述第二换能器位于与所述第三换能器和所述第一换能器所在横截面不同的另一横截面上；(2)、控制所述第一换能器发送第一声波并控制所述第三换能器接收第一声波，以便计算声波在静止流体中的基本速度；(3)、控制所述第一换能器发送第二声波并控制所述第二换能器接收第二声波，以便测量信号的第一飞行时间；(4)、控制所述第二换能器发送第三声波并控制所述第一换能器接收第三声波，以便测量信号的第二飞行时间；以及(5)、基于所述基本速度、所述第一飞行时间和所述第二飞行时间来计算管道内流体的流量。

9.根据权利要求8所述的流体流量测量方法，其特征在于，设置所述第二换能器使其在管道内流体流动方向上位于所述第三换能器和所述第一换能器的下游。

10.根据权利要求8所述的流体流量测量方法，其特征在于，设置所述第二换能器使其在管道内流体流动方向上位于所述第三换能器和所述第一换能器的上游。