CN106323392A - 抗干扰的超声流量传感器的测量管段 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段，其特征在于所述测量管段是由中间的扁形直管段以及扁形直管段两端的喇叭形连接管段组成，所述扁形直管段两端与喇叭形连接管段弧形过渡连接；扁形直管段上至少设有一组偶数对且该组偶数对中心线相交叉的超声波换能器组，超声波换能器组有效的消除了超声波测试时的垂直于流体流动方向的分速度干扰，由于扁形直管段截面积相对表体口径面积变小，使超声波换能器的有效采样截面占比增加，并强制调整流体进入喇叭形连接管各个方向的偏心流动和旋转流动，增强了抗干扰能力；具有结构新颖、抗干扰性能优异、能实现适应各种复杂工况、方便安装、精确测量流体流速、提高测量精度等优点。

Description

抗干扰的超声流量传感器的测量管段

技术领域

本发明涉及流体计量器具，具体地说是一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段。

背景技术

目前，在基于超声波为载体的流量测量方面，主要是通过一对或者多对超声波换能器放置在被测管道的两端来实现，超声波流量传感器是利用超声波在液体中传播的原理，通过测得声波的顺向、逆向的传播速度差而计算出流体的流速，再由集成在PCB板芯片中积分公式计算出流量，上述是稳定流体的理想情况，然而流量计实际应用时，因流量计前端的复杂情况，如有弯管、变径、阀门、换热器、分水器等的影响，难以得到相对稳定的理想流体通过流量计，不稳定流体使测量的数据的准确性受到影响。为了消除影响，得到相对稳定的流体，有的在传感器的入口处安装稳流器，但是因为受表体长度的影响所起到的稳流作用也非常之小；有的测量管道内的进行缩径，对于径向旋转的流动，稳流效果并不明显。

另外，在各种仪表的使用过程中，通常会在仪表的前端安装过滤器，以防止流体中杂质干扰测量，同时也是出于对整个管路的保护，但在安装过滤器后水的流态会发生变化，从而导致测量精度下降。因此，通常的流量计量仪表都要求表前保持10倍仪表标称口径长度的直管段，以减小前端器件对流量测量的影响。

常用流体在***运行中，管路比摩阻随流速增大而增大，考虑到整个***的运行，液体经济流速为2m/s以下，通径仪表最佳测量区域为流体流速0.5m/s-8m/s（甚至10m/s以上），而实际工况中常见0.1m/s-0.7m/s的流速却位于仪表的亚准确区域，最佳测量范围与实际使用的流量范围相差较大。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构新颖、抗干扰性能优异、能实现适应各种复杂工况、方便安装、精确测量流体流速、提高测量精度的超声流量传感器的测量管段。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段，其特征在于所述测量管段是由中间的扁形直管段以及扁形直管段两端的喇叭形连接管段组成，所述扁形直管段两端与喇叭形连接管段弧形过渡连接，所述扁形直管段上至少设有一组偶数对且该组偶数对中心线相交叉的超声波换能器组，通过超声波换能器组能有效的消除了超声波测试时的垂直于流体流动方向的分速度干扰，由于扁形直管段截面积相对表体口径面积变小，使偶数对的超声波换能器的有效采样截面占比增加，并强制调整流体进入喇叭形结构各个方向的偏心流动和旋转流动，增强了抗干扰能力，解决了在圆口形的流量传感器中，需要安装更多的换能器来采集更全面的信号数据，才能准确的消除如换热器这种特殊的***件的干扰的实质性不足。

本发明中的相邻的超声波换能器组可设置在扁形直管段的同一纵切层面上，也可以设置在扁形直管段的不同纵切层面上，即所述超声波换能器组纵切层面间距不超过30mm，以利于通过两两匹配的超声波换能器组的采样，进行数据处理，抵消不稳定水流的干扰。根据管段口径可设置多组换能器组，不同换能器组距离可为100mm-400mm，不同组合的间距小于100 mm，则增加换能器的用量，提高成本并增大换能器的故障率；经过实测，不同组合的间距大于400mm则不能有效反映仪表内部的一些特殊流动状态，造成准确度的降低。

本发明所述扁形直管段的上平面和下平面的间距是两侧面间距的25%-90%，所述扁形直管段的两侧面可以为平面，也可以为弧形面；通过扁形直管段调节了仪表的最佳测速区间，使仪表更加符合实际的应用工况；由于扁形直管和换能器组两者的结合一方面降低了换能器的配置数量，一方面减小了扁腔的缩小比例，达到了控制制造成本（少量的换能器）与使用成本（低压损）的完美平衡。

本发明在使用时，一般不需要表前直管段，在表前有半开阀门等极度不正常的干扰部件时，也仅需要3倍仪表标称口径长度的直管段，即可保证测量的精度和准确度，也可在本结构的两端加法兰或螺纹，形成仪表的表体，再配合安装换能器和电器元件组成超声波流量传感器。

国标要求流体流经特定标准***件后，再流过10倍仪表标称口径长度的直管段后进入超声波流量传感器，超声波流量传感器的测量准确度误差不得大于正常使用情况误差限的2倍。本发明流体流经标准***件、弯管、连续弯管、变径管、分水器、阀门等干扰源后直接进入本发明的测量管段，测量流量准确度满足了正常误差限要求；流体流经节流板、换热器、堵塞的过滤器等特殊干扰源后直接进入本发明的测量管段，测量流量准确度能够满足正常误差限的2倍要求；流体流经节流板、阀门、换热器、过滤器等特殊干扰源后，流过3倍仪表标称口径长度的直管段进入本发明的测量管段，本发明的测量管段的测量准确度误差还能够满足正常误差限的要求。大大优于常见流量测量仪表的抗干扰能力。

本发明的有益效果是：由于测量管段采用扁形直管段，对前方干扰源引发的不均匀流动起到了很好的调整作用，并通过偶数对的换能器的布局，使得采样信号数据简单易处理，处理时，只需将每两个对应声道信号数值简单的平均，就能有效的消除扁形直管段无法完全消除的不规则流动的干扰，具有结构新颖、抗干扰性能优异、能实现适应各种复杂工况、方便安装、精确测量流体流速、提高测量精度等优点。

附图说明

图1是本发明的一种2声道铸造管段结构示意图。

图2是图1的剖视图。

图3是本发明的另一种4声道焊接管段结构示意图。

图4是图2的剖视图。

图5检定标准要求误差限

图6是本发明的测试数据表。

附图标记：扁形直管段1、喇叭形连接管2、超声波换能器3-1、3-2、6-1、6-2、6-3、6-4、上平面（上钢板）4、下平面（下钢板）5、圆管9。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的结构作进一步描述：

如附图1所示，一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段，其特征在于所述测量管段是由中间的扁形直管段1以及扁形直管段1两端的喇叭形连接管2段组成，所述扁形直管段1两端与喇叭形连接管段2弧形过渡连接，所述扁形直管段1上至少设有一组中心线相交叉的偶数对超声波换能器组3-1、3-2，超声波换能器组3-1、3-2有效的消除了超声波测试时的垂直于流体流动方向的分速度干扰，由于扁形直管段截面积相对表体口径面积变小，使偶数对的超声波换能器3-1、3-2的有效采样截面占比增加，并强制调整进入喇叭形连接管2各个方向的偏心流动流体和旋转流动流体，增强了抗干扰能力，解决了在圆形通径流量传感器中，需要安装更多的换能器来采集更全面的信号数据，才能准确的消除如换热器这种特殊的***件的干扰的实质性不足，所述每对超声波换能器是由扁形直管段两侧的同一中心线的两个超声波换能器构成，此为现有技术。

本发明中的相邻的超声波换能器组6-1、6-2或6-3、6-4可设置在扁形直管段1的同一纵切层面上，如附图3所示；也可以设置在扁形直管段的不同纵切层面上，即所述超声波换能器组6-1和6-2以及6-3和6-4的纵切层面间距不超过30mm，如附图4所示，以利于通过两两匹配的超声波换能器组的采样，进行数据处理，抵消不稳定流体流动的干扰。

本发明所述扁形直管段1的上平面4和下平面5的间距是两侧面间距的25%-90%，所述扁形直管段1的两侧面可以为平面，也可以为弧形面；通过扁形直管段调节了仪表的最佳测速区间，使仪表更加符合实际的应用工况；由于扁形直管和换能器组两者的结合一方面降低了换能器的配置数量，一方面减小了扁腔的缩小比例，达到了控制制造成本（少量的换能器）与使用成本（低压损）的完美平衡。

本发明在使用时，一般不需要表前直管段，在表前有半开阀门等极度不正常的干扰部件时，也仅需要3倍仪表标称口径长度的直管段，即可保证测量的精度和准确度，也可在本管段两端加法兰或螺纹，形成仪表的表体，再配合安装换能器和电器元件组成超声波流量传感器。

本发明在制作时，可以通过铸造制造，所述扁形直管段2与测量管段两端的喇叭形连接管2圆滑过渡，超声波换能器3-1、3-2成对分布在扁形直管段两侧面，超声波换能器3-1、3-2的安装位置成对分布，且两对换能器3-1、3-2安装位置在扁形直管段的同一纵切层面上，也可安装在间距不超过30mm的两个平行的纵切层面上，即所述超声波换能器组6-1和6-2以及6-3和6-4的纵切层面间距不超过30mm；所述扁形直管段1上平面4和下平面5的间距为扁形直管段两侧面间距的25%-90%，达到强制整流、加大被测流体的速度、减少换能器安装个数的目的，根据测量管段的高度尺寸选择换能器对应安装位置的数量，即扁形直管段1的腔高每增加100mm-400mm，就增加两对对应的超声波换能器，以起到有效测量各种复杂工况又减低成本的作用。一方面降低了换能器的配置数量，一方面减小了扁腔的缩小比例、降低了仪表压损，达到了控制制造成本（少量的换能器）与使用成本（低压损）的完美平衡。

如附图3、附图4所示，本发明不拘泥于铸造工艺，也可采用钢板焊接而成：圆管9以及圆管9内焊接的上钢板4和下钢板5构成扁形直管段1和喇叭形连接管2，所述上钢板4和下钢板5的高度是圆管9内径的25%-90%，具体数值的选用取决于本发明用于仪表的准确度等级、压力损失的大小及应用工况的需求；扁形直管段1的第一组合的两对超声波换能器组6-1的纵切层面、6-2的纵切层面间距不超过30mm，扁形直管段1的第二组合的两对换能器6-3的纵切层面、6-4的纵切层面间距不超过30mm，一个组合的两对对应换能器6-1、6-2或6-3、6-4所在层面相差不超30mm间距，才能有效的反映并消除流体流动方向上的干扰信号；组合一与组合二的换能器安装位置距离可为100mm-400mm，不同组合的间距小于100 mm，则增加换能器的用量，提高成本并增大换能器的故障率；经过实测，不同组合的间距大于400mm则不能有效反映仪表内部的一些特殊流动状态，造成准确度的降低。当仪表口径大于800mm则必须使用三组以上换能器组。

以本发明测量管段测试验证方法：将本发明的管段两端加法兰，在换能器安装位置安装换能器组成流量传感器，配合计算器组成超声波仪表，在符合检验标准的测试台上检定合格后（检定标准要求误差限，图5），记录测量误差，将该超声波仪表安装各种干扰源产生的复杂工况下进行测试流量准确度测试；如附图6所示，通过本发明的测试数据显示，本发明直接接在常见的各种干扰源后检定，均达到了2级表误差的要求；在一些实际使用的极复杂的干扰部件后，只需在使用本发明结构的超声波仪表前连接3倍仪表标称口径长度的直管段，该仪表就能达到2级表误差的要求；而目前市场的大部分仪表包括电磁流量计，需要经过10倍仪表标称口径长度的直管段才能消除一些常见的干扰源对流量测试的影响，且只能达到标准要求的使用中的2级表误差的要求（使用中检验的仪表的误差限为上述误差限的2倍），由此可见，本发明取得了实质性的技术效果。

本发明由于采用上述结构，经过干扰后的流体进入超声波流量传感器后，由本发明结构在消减干扰的同时合理采样，从而实现精确测量流体流速、减少安装现场的施工要求的目的，具有测量准确、节约成本、便于使用等优点。

Claims (6)

1.一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段，其特征在于所述测量管段是由中间的扁形直管段以及扁形直管段两端的喇叭形连接管段组成，所述扁形直管段两端与喇叭形连接管段弧形过渡连接，所述扁形直管段上至少设有一组偶数对且该组偶数对中心线相交叉的超声波换能器组。

2.根据权利要求1所述的一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段，其特征在于相邻的超声波换能器组设置在扁形直管段的同一纵切层面上。

3.根据权利要求1所述的一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段，其特征在于相邻的超声波换能器组设置在扁形直管段的不同纵切层面上，即所述超声波换能器组纵切层面间距不超过30mm。

4.根据权利要求1所述的一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段，其特征在于所述扁形直管段的上平面和下平面的间距是两侧面间距的25%-90%。

5.根据权利要求1所述的一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段，其特征在于所述扁形直管段的两侧面为平面。

6.根据权利要求1所述的一种抗干扰的超声流量传感器的测量管段，其特征在于所述扁形直管段的两侧面为弧形面。