CN112747260B - 一种防噪声干扰的超声波流量测量装置 - Google Patents

一种防噪声干扰的超声波流量测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，被测流体上游管道通过三通接头与缓振结构以及下游管道相连，流体经缓振结构消除上游干扰噪声后进入下游，经整流分配器后进入换能器及显示装置测量，通过对流体流动中由于外部原因产生的超声杂音进行反射和吸收，消除干扰，为超声波流量计提供有利的测量环境，获取高精度和稳定的流量数据。

Description

一种防噪声干扰的超声波流量测量装置
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种防噪声干扰的超声波流量测量装置。
背景技术
现代工业领域中把压力、流量、温度认定为工业自动化的重要三大检测参数，流量计在冶金、化工、天然气输送、石油输送、民用水表等方面有着广泛的应用。无论是工业生产或商业贸易，流量计量的需求量都在不断增长。
传统流量计基于流体在流动过程中的阻力特性和流速的函数关系进行流量测量，如文丘里流量计和孔板流量计等，它们的相似特点是流体与测量结构直接接触，压损大，测量范围小。这类流量计的最大缺点就是对固件的磨损非常敏感、测量精度不高。随着超声波技术与传感器技术的发展，采用声波测量技术越来越得到广泛应用。超声波流量计无活动部件、非接触式、数字化和电子化，在性能上也普遍有较高的测量精度、线性度较好、较宽的量程比、可靠性高且简易维护，因此超声波流量计正逐步进入各种测量计量领域。
但在不同的应用场所，超声波流量计在使用的过程中会受到来自于上游直管段内壁粗糙度、气体成分、上游直管段长度、流量计上游流体流态、水泵等噪声干扰、气流脉动等影响，从而影响测量精度。为克服外在影响，采用滤波器虽然可以克服一部分干扰，但其效果有限，因此还需要其他手段降低噪声干扰，以提升测量精度。
发明内容
本发明提供了一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，通过对流体流动中由于外部原因产生的超声杂音进行反射和吸收，消除干扰，为超声波流量计提供有利的测量环境，获取高精度的流量数据。
为达到上述目的，本发明所述一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，包括安装在被测量管道上的超声波流量计和缓振结构，所述缓振结构包括缓振室，所述缓振室中设置有减振膜，所述缓振室中充有空气或惰性气体。
进一步的，缓振结构安装在靠近噪声源方向。
进一步的，缓振结构通过三通接头连接在被测量流体管道上，所述被测量流体管道包括上游管道和下游管道，所述三通接头的三个接口分别连接上游管道、下游管道以及缓振室。
进一步的，缓振室上设置有开关阀。
进一步的，减振膜为可移动的活塞或固定的挠性板。
进一步的，减振膜上设置有阻尼材料涂层。
进一步的，超声波流量计上游管道上安装有整流分配器，所述整流分配器包括板体，板体形状和测量流体管道纵截面形状和尺寸相同，板体上开设有多个流过流体的通孔。
进一步的，超声波流量计包括第一换能器、第二换能器和显示装置，用于对被测流体进行流量测量和显示。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明提供一种防噪声干扰的超声波测量装置，减振膜与缓振室构成一个阻尼***，利用气体的可压缩性，当噪声传递过来后，振动波能量作用在减振膜上，通过减振膜的微距移动或振动传递给缓振室的气体，气体被压缩转化为热能，实现噪声声波的能量耗散。通过设置噪声消纳机构，对流体流动自身脉动、流体截流、泵等其它声源混入的超声杂音进行反射和吸收，消除干扰，为超声波流量计提供有利的测量环境，获取精确的流量数据。与现有超声波流量计相比，抗干扰能力更强，测量精度和稳定性得到有效提高。
进一步的，缓振结构安装在靠近噪声源方向，提高降噪效果。
进一步的，缓振室上设置有开关阀，可方便的对缓振室进行充气或者放气。
进一步的，减振膜上设置有阻尼材料涂层，进一步提升减振效果。
进一步的，超声波流量计上游安装有整流分配器，整流分配器包括板体，板体形状和测量流体管道纵截面形状和尺寸相同，板体上开设有多个流过流体的通孔，对被测流体管道弯头造成涡流进行整流，缩短超声波流量计前安装直段要求。
附图说明
附图1是本发明一种防噪声干扰的超声波流量测量装置的原理结构图；
附图2是图1中A-A向剖视图；
附图3是超声波流量计测量原理图；
附图4是超声波流量计原理图。
附图中：1、上游管道，2、三通接头，3、安装法兰，4、减振膜，5、缓振室，6、开关阀，7、整流分配器，8、超声波流量计，9、下游管道，10、通孔，11、第一换能器，12、第二换能器，13、通孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明防噪声干扰主要原理是利用声波传播反射和阻尼吸收的特性，在噪声声波传播主要方向上设置具有反射与吸收功能的减振膜，反射和消纳噪声声波的传递能量。
实施例1
参照图1，一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，包括测量流体管道1、三通接头2、安装法兰3、减振膜4、缓振室5、开关阀6、整流分配器7和超声波流量计8，超声波流量计8包括两个换能器和显示屏。
测量流体管道包括上游管道1和下游管道9，上游管道1通过三通接头2与缓振结构和下游管道9相连，超声波流量计8安装在下游管道9上，流体经缓振结构消除上游干扰噪声后进入下游管道9，经整流分配器7后进入超声波流量计8测量。当流体流动下游方向有噪声源干扰的时候，也可设置同类装置对下游噪声进行减振。测量流体管道1上游与三通接头2的入口连通。
缓振结构包括缓振室5，减振膜4和开关阀6，缓振室5和测量流体管道1上游部分同轴线设置；缓振室5通过安装法兰3安装在三通接头2的第一出口，减振膜4可以是活塞式沿缓振室5内壁自由移动，也可以是固定安装的挠性板，具有较大的阻尼系数。通过开关阀6向缓振室5内充入空气或惰性气体，充气压力约等于流体压力，具体的，取正负20％的流体压力；其作用是平衡流体压力，同时形成一个具有弹性的压缩空间。气体的选择需考虑极端事故，即减振膜损毁时泄漏至主流工质，不引起事故扩大。由流体上游来的噪音沿流体传播，声波抵达减振膜4后被减振膜4反射和吸收。
减振膜4与缓振室5构成一个阻尼***，利用气体的可压缩性，当噪声传递过来后，振动波能量作用在减振膜上，通过减振膜4的微距移动或振动传递给缓振室5的气体，气体被压缩转化为热能，实现噪声声波的能量耗散。
优选的，还可以在减振膜4上增设阻尼材料涂层，进一步提升减振效果。
下游管道9上安装有整流分配器7，整流分配器7用于对被测流体管道弯头造成涡流进行整流，缩短超声波流量计8前安装直段要求。根据安装空间的要求和场地实际情况，整流分配器7可以不安装。
参照图2，整流分配器7包括板体，板体形状和测量流体管道纵截面形状和尺寸相同，板体上开设有多个圆形的通孔13。
被测流体管道1内流体为液体或气体单相介质，流体管道及流量计内不产生相变。被测流体管道1为圆管或方管。
参照图3，超声波流量计8包括第一换能器11、第二换能器12和显示装置，用于对被测流体进行流量测量和显示。
超声波流量计按测量原理分有：传播速度差法(简称速差法)、多普勒效应法、噪声法、相关法等，常用的为速差法和多普勒效应法。多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等两相流流量测量。速差法包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法，其基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速，其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。超声波气体流量计一般采用速差法。速差法主要应用于单相流体的测量。
下面以时差法为例对超声波气体流量计的基本测量原理做一简单介绍：
在仪表的测量管段上，斜装有一对超声换能器：第一超声换能器11和第二换能器12，它们交替发射和接收超声波脉冲，如图3所示。图3中：C为流体介质中的声速；V为管道中流体介质的流速；L为声程长度；θ为换能器与管道轴线夹角；D为管道直径。
在声程L上，超声波的传播速度为声速和流速分量的叠加。顺流、逆流方向上的传播时间t1、t2分别为：
Figure BDA0002870629000000061
Figure BDA0002870629000000062
分别测出顺流、逆流方向上的传播时间t1、t2后可算出流速V：
Figure BDA0002870629000000063
因为测量得到的顺、逆向上的传播时间t1、t2包含了电路、电缆及换能器等产生的固有电声延时τ1、τ2，须扣除其影响，所以式(3)可以改写为：
Figure BDA0002870629000000064
由于管壁及流体内部存在摩擦粘滞作用，实际流体流速在管道载面上存在着流速分布，对于在中心线上的单通道超声波流量计，其测量的流速v实际上是管道截面内直径上的线平均速度，而测量流量需要的是管道内截面的面平均流速Vm，它们并不相等。根据流体力学理论，当雷诺数大于4000时，流体呈紊流状态，此时线平均流速与面平均流速之间存在一动力学因子K(管道雷诺数Re的函数，工程上可在流量计校准时经实测得到)，即：
Figure BDA0002870629000000065
从而可得瞬时体积流量Q瞬：
Figure BDA0002870629000000071
在连续测量中，只要逐次将测得的Q瞬值对时间积分，就可得到任意时间段内的累积流量Q累，体积流量经压力、温度补偿后，可得质量流量Q质：
Figure BDA0002870629000000072
式中：ρ0为标准状态下气体介质密度；P0、P分别为标准和实际状态下的压力；T0、T分别为标准和实际状态下的温度；Z为气体压缩系数。由式(4)、(6)可以看出，声时t1、t2的测量是流量测量的关键，在参数D、L、θ、τ1、τ2、K确定后，只要准确测出t1、t2，就能准确求得管道内的流速V及瞬时流量Q瞬，进而可求得累计流量Q累、质量流量Q质。
超声波流量计原理图如图4所示：第一换能器11和第二换能器12分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，超声波发射主要由主控振荡器和切换器等组成，发射超声波由锯齿波电压发生器经主控振荡器经过信号处理而得到换能器所需要的发送脉冲信号，驱动第一超声波换能器发射超声波信号，采用电感电容匹配电路使换能器处于谐振时，压电陶瓷产生足够大的振动能量，发出大功率超声波信号。其中切换器的作用是收发控制电路控制着脉冲信号的发射与接收，第一换能器11发射的超声波信号传输到第二换能器12后，由切换器的开关控制第二换能器12，第二换能器12得到收超声波信号，经过接收放大器、输出门，由接收波形与发射波形通过峰值检波器，差分放大器等进行数字电路的逻辑处理，得到时间信号，并进行数据处理和计算，最终得到流量数据并进行显示。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，其特征在于，包括安装在被测量管道上的超声波流量计（8）和缓振结构，所述缓振结构包括缓振室（5），所述缓振室（5）中设置有减振膜（4），所述缓振室（5）中充有空气或惰性气体；
所述缓振结构通过三通接头（2）连接在被测量流体管道上，所述被测量流体管道包括上游管道（1）和下游管道（9），所述三通接头（2）的三个接口分别连接上游管道（1）、下游管道（9）以及缓振室（5）；所述缓振室（5）和所述上游管道（1）同轴线设置；所述超声波流量计（8）安装在下游管道（9）上；
所述减振膜（4）为可移动的活塞或固定的挠性板。
2.根据权利要求1所述的一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，其特征在于，所述缓振结构安装在靠近噪声源方向。
3.根据权利要求1所述的一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，其特征在于，所述缓振室（5）上设置有开关阀（6）。
4.根据权利要求1所述的一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，其特征在于，所述减振膜（4）上设置有阻尼材料涂层。
5.根据权利要求1所述的一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，其特征在于，所述超声波流量计（8）上游管道上安装有整流分配器（7），所述整流分配器（7）包括板体，板体形状和测量流体管道纵截面形状和尺寸相同，板体上开设有多个流过流体的通孔（13）。
6.根据权利要求1所述的一种防噪声干扰的超声波流量测量装置，其特征在于，所述超声波流量计（8）包括第一换能器（11）、第二换能器（12）和显示装置，用于对被测流体进行流量测量和显示。
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