CN116929472A - 一种大口径天然气管道的超声波质量流量计 - Google Patents

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Abstract

本发明隶属于流体流量测量的技术领域，具体涉及一种大口径天然气管道的超声波质量流量计，旨在解决国内外天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的大口径管道天然气质量流量的空白与缺陷。本发明的技术方案为，采取对大口径天然管道的横截面进行分区，兼容超声波流速计测量的是管道内横截面线流速的特征，并发明出与超声波流速计相匹配的动态密度计，由此对大口径天然管道的横截面进行适应性分区、对每个分区采用超声波流速计与之相匹配的动态密度计耦合测量该分区的质量流量，将各分区的测量进行有机集成，提出了测算的数学模型，并构建出一种新型的用于大口径管道的、具有高精度、宽量程的超声波天然气质量流量计。

Description

一种大口径天然气管道的超声波质量流量计
技术领域
本发明隶属于流体流量测量的技术领域，具体涉及一种大口径天然气管道的超声波质量流量计。
背景技术
为了提高天然气管网的技术和贸易管理水平，应实施天然气管网量平衡监测监控***。天然气管网量平衡就是管网中各节点间天然气质量流量的平衡。天然气管网量平衡不仅可获知管网中各个支线、各个子线的天然气流量，揭示天然气管网中天然气的泄露，以保证对终端用户的供给和天然气管网的运行安全性，还可以揭示天然气管网的结构性能，如天然气管网的压损性能、流体输运的能量损耗性能、天然气管网的保温性能等，这为天然气安全运行、管网的维护、技术改造、防止资源的浪费、促进科学利用天然气资源提供重要的技术保证。当今，在步入物联网大数据及人工智能与工业自控时代，已为天然气管网量平衡天然气管网量平衡监测监控***提供了物联网通信技术，若在天然气管网中加入监测单元与控制单元的分布，就构成了对现代天然气管网技术升级的天然气管网量平衡监测监控***，它不仅可获知天然气管网量平衡，还可对天然气管网中阀门进行远程数据跟踪和精准调节与控制。
天然气管网量平衡监测监控***的实现，是以天然气管网量平衡的天然气流量测量为基础的。对于天然气管网而言，应在天然气管网各分支节点的管道上设置流量测量表。由于天然气管网入口节点管道即天然气管网源头已装设有流量测量表，在管网末端即终端用户也已装设有流量测量表，如天然气表，那么只要在天然气管网中各分支线节点的入口管道上装设流量测量表，就可实现天然气管网量平衡的监测。由于天然气管网中各分支入口节点，都设置有阀门，在该阀门处再加装流量测量表，就可实现天然气管网量平衡的监测和监控，以保证对终端用户的供给量。
天然气是由多种成分组成的混合气体，受天然气矿藏资源所限，天然气中的组份和各组份的比例不是固定的，而是变化的。天然气管网量平衡的天然气流量测量，所采用的流量测量表应是质量流量测量表即质量流量计，而不能用体积流量计，质量流量计对通过天然气管网节点管道的质量流量、压力、温度进行测量。对天然气管网而言，因为天然气的质量流量是守恒的，天然气的体积流量是不守恒的，天然气的质量流量不仅与天然气的体积流量相关，而且还与天然气的压力、温度、特别是和组份相关，所以，天然气管网量平衡的天然气流量测量必须采用质量流量计进行测量。现有技术的流量测量表即流量计，绝大多数都是体积流量计，如：孔板流量计、喷管流量计、内锥流量计、均速管流量计、弯管流量计、叶轮流量计、浮子流量计、转子流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、靶式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、射流流量计、超声波流量计、电磁流量计等，上述这些流量计都是体积流量计，现有技术能直接测量流体质量流量的流量计有热式流量计、科里奥利流量计。然而，热式流量计在测量时，需事先在热式流量计中设定待测流体的组份和各组份的比例，由于受天然气矿藏资源所限，天然气中的组份和各组份的比例不是固定的，而是变化的，所以当待测天然气的组份和各组份的比例发生变化时，热式流量计就无法测量待测天然气的质量流量，或者说热式流量计此时测量的天然气质量流量其测量误差很大，另外，热式流量计在实施测量时，其功耗较大，这是热式流量计的特点和缺陷，由此可见，热式流量计不能作为实现天然气管网量平衡测量可用的质量流量计。科里奥利流量计基于其测量原理，不能测量高温混合气体以及组份变化的气体质量流量，由于受天然气矿藏资源所限，天然气中的组份和各组份的比例不是固定的，而是变化的，所以科里奥利流量计也不能作为实现天然气管网量平衡测量可用的质量流量计，另外，大口径管道的科里奥利流量计极少制造，特别是科里奥利流量计的制造或购置费用高昂，目前为止，市场上基本为国外品牌，国产化率不高，由此可见，科里奥利流量计也不适宜作为天然气管网量平衡测量可用的质量流量计。
就天然气管网而言，天然气管网入口管道和各个支线的入口管道，其管径常常是大口径管道，如管径DN500或以上管径的管道，天然气在大口径管道的流动具有这样的特征：其管道横截面的天然气流速分布是不均匀的，其管道横截面天然气密度分布也是不均匀的，这一大口径管道的天然气流动特征，给大口径天然气管道质量流量的准确测量带来相当大的困难，因为对天然气管网来说，大口径天然气管道质量流量测量的准确性，对天然气管网的量平衡监测监控有着重要的影响，由此可见，对大口径天然气质量流量计的开发，就应更加关注大口径管道中天然气流动的这一不利影响的特征。
综上分析可见，要实现天然气管网量平衡监测监控***，须在天然气管网各分支节点管道上设置质量流量计，而现有技术的质量流量计还不能用于天然气管网的量平衡，所以，为了向天然气管网量平衡监测监控***的实现提供技术手段，填补国内外天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的天然气质量流量的空白与缺陷，以及如何克服大口径管道中天然气流速和密度分布不均、造成对流量测量精度的负面影响，发明适用于天然气大口径质量流量计是很有必要的，这也是本申请要解决的问题。
发明内容
实现天然气管网量平衡的监测监控***，须在天然气管网各分支节点管道设置质量流量计，而现有技术的质量流量计不适宜用于天然气管网的量平衡测量，技术和市场上更是缺乏大口径天然气管道的质量流量计，为了向天然气管网量平衡监测监控***的实现提供技术手段，填补国内外天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的天然气质量流量的空白与缺陷，以及克服大口径管道中天然气流速和密度分布不均、造成对流量测量精度的负面影响，本发明旨在发明适用于天然气管网量平衡测量的大口径质量流量计，为此，提出了一种大口径天然气管道的超声波质量流量计。
本发明的技术方案为：由于管道内流动的天然气，其质量流量为管道流通面积乘以管道内天然气流速、然后再乘以管道内天然气的动态密度，对于已定管径的管道而言，其管道流通面积是已知的，所以测量管道内天然气的质量流量就是如何能准确和有效地测量出管道内天然气的流速分布和相对应的天然气动态密度分布，这是测量管道内天然气质量流量的一种方向和途径。本技术方案按照这一方向，从现有技术的各类气体流速计或气体体积流量计中，以能够测量组份变化的气体流速、测量的量程很宽、流速测量的精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，优选出一种适宜的气体流速计，即优选出的气体流速计为超声波流速计或为超声波体积流量计。考虑到超声波流速计能够测量的是管道横截面上一条线的流速或这条线上的平均流速，因此，寻求能与超声波流速计相匹配的动态密度计就特别关键，从现有技术的密度计或流量计中，还不能够找出与超声波流速计相匹配能够测量管道横截面上一条线上的动态密度，因此发明和研制与超声波流速计相匹配的动态密度计就成为本案的关键问题。另一方面，考虑到大口径天然气管道内其横截面天然气流速分布不均性、横截面天然气密度分布不均性的特点，所以仅靠一个超声波流速计或一个超声波体积流量计是难于准确测量大口径管道内的天然气流量，因此，本案采取对大口径天然管道的横截面进行分区，在分区中，兼容超声波流速计的特点，并发明出与超声波流速计相匹配的动态密度计，由此就形成本案的技术方案：对大口径天然管道的横截面进行适应性分区、对每个分区采用超声波流速计与之相匹配的动态密度计耦合测量该分区的质量流量，将各分区的测量进行有机集成，构建出一种新型的用于大口径管道的、具有高精度、宽量程的超声波天然气质量流量计。
本发明包括测量管法兰，测量管、采控积算单元、流速测量单元和动态密度测量单元；采控积算单元包括积算电路盒、积算电路板、积算CPU处理器、积算电路盒固定座；由六个即六路入口超声波收发器、六个即六路出口超声波收发器、积算电路板、积算CPU处理器组成流速测量单元，由六个即六路密度计、积算电路板、积算CPU处理器组成动态密度测量单元；将测量管内横截面划分为六个流体区域，每个流体区域安置了一路入口超声波收发器和一路出口超声波收发器，对该区域中心垂线上的天然气平均流速进行测量，并在该区域安置了一个密度计，对该区域中心垂线上的天然气平均动态密度进行测量；积算CPU处理器9通过对各路入口换能器、各路出口换能器、各路密度计的测控，得出流经测量管2内的天然气质量流量。
所述两个测量管法兰分别固定于测量管的两端，测量管为直通管，且通过测量管法兰与外部待测流量的天然气管道连接，以实现对大口径天然气管道质量流量的测量。
在测量管顺流方向的内横截面上，将水平内直径线按测量管管内径的1/6长度作五条分区域垂直线，并由测量管内壁面线和分区域垂直线将测量管内横截面划分为了六个流体区域；在测量管的入口端、且在第j个流体区域中心的测量管的上壁面安置有该区域的入口超声波收发器，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路入口超声波收发器、第2路入口超声波收发器、第3路入口超声波收发器、第4路入口超声波收发器、第5路入口超声波收发器和第6路入口超声波收发器；在测量管的近出口端即测量管的中后段、且在第j个流体区域中心的测量管的下壁面安置有该区域的出口超声波收发器，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路出口超声波收发器、第2路出口超声波收发器、第3路出口超声波收发器、第4路出口超声波收发器、第5路出口超声波收发器和第6路出口超声波收发器；在测量管的出口端、且在第j个流体区域中心的测量管的上壁面设置有该区域的密度计支撑管上安装孔，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路密度计支撑管上安装孔、第2路密度计支撑管上安装孔、第3路密度计支撑管上安装孔、第4路密度计支撑管上安装孔、第5路密度计支撑管上安装孔和第6路密度计支撑管上安装孔；在测量管的出口端、且在第j个流体区域中心的测量管的下壁面设置有该区域的密度计支撑管下安装孔，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路密度计支撑管下安装孔、第2路密度计支撑管下安装孔、第3路密度计支撑管下安装孔、第4路密度计支撑管下安装孔、第5路密度计支撑管下安装孔和第6路密度计支撑管下安装孔；在测量管的出口端、且在第j个流体区域中心、即密度计支撑管上安装孔与密度计支撑管下安装孔的连线中心，安置有该区域的密度计，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路密度计、第2路密度计、第3路密度计、第4路密度计、第5路密度计和第6路密度计。
所述第4路入口超声波收发器外管为装设第4路入口换能器的直管，第4路入口换能器封装于第4路入口超声波收发器外管内的首部、并与第4路入口超声波收发器外管内的尾部密封；所述第4路入口换能器通过其上的第4路入口超声波收发器信号线与积算电路盒内的积算电路板电性连接；所述第4路入口超声波收发器安装孔为向测量管出口端倾斜的直道孔；所述第4路入口超声波收发器外管固定于第4路入口超声波收发器安装孔内，并且第4路入口超声波收发器外管的首部恰刚深入到测量管之内、第4路入口超声波收发器外管的尾部位于测量管的外壁面之外。
所述第4路出口超声波收发器外管为装配第4路出口换能器的直管，第4路出口换能器封装于第4路出口超声波收发器外管的首部、并与第4路出口超声波收发器外管内的尾部密封；所述第4路出口换能器通过其上的第4路出口超声波收发器信号线与积算电路盒3内的积算电路板电性连接；所述第4路出口超声波收发器安装孔为向测量管入口端倾斜的直道孔；所述第4路出口超声波收发器外管固定于第4路出口超声波收发器安装孔内，并且第4路出口超声波收发器外管的首部恰刚深入到测量管之内、第4路出口超声波收发器外管的尾部位于测量管的外壁面之外；所述第4路入口换能器与第4路出口换能器组成一对对射的换能器，并且第4路入口换能器的圆板面中心与第4路出口换能器的圆板面中心之间的连线，在测量管内与气流水平流向之间构成锐角；所述第4路入口换能器和第4路出口换能器均为圆形状陶瓷薄板，用作发射或接收超声波信号的振子；所述第j路入口超声波收发器与第4路入口超声波收发器的结构相同、第j路出口超声波收发器与第4路出口超声波收发器的结构相同，第j路入口换能器与第j路出口换能器组成一对对射的换能器，并且第j路入口换能器的圆板面中心与第j路出口换能器的圆板面中心之间的连线，在测量管内与气流水平流向之间构成锐角，随着j不同所构成的锐角不同，其中j为1、2、3、5和6。
所述第4路密度计，包括第4路密度计力感应片、密度计弹簧管、密度计外壳、位移传感器、桶底、位移感应片、桶盖、传动轴；所述第4路密度计支撑管的两端分别固定于第4路密度计支撑管上安装孔和第4路密度计支撑管下安装孔，所述第4路密度计支撑管的中部固定着密度计外壳；所述密度计外壳为有桶底和桶盖的且由刚性材料制成的圆桶、并与测量管内流体流向同向即水平方向放置；所述桶底为圆板状的活塞、且通过自身的自动与自由移动以维持密度计外壳的内外流体压力平衡；所述桶盖的中部有通孔，密度计弹簧管外壁面固定于桶盖通孔的内孔壁面上；所述传动轴为一段水平直棒，其尾端水平穿过密度计弹簧管且深入到密度计外壳内的中后部；所述桶盖的通孔孔径与密度计弹簧管的外径相同，传动轴的轴径与密度计弹簧管的内径相同；所述密度计弹簧管对传动轴起到支撑作用，且当传动轴水平移动时，对其施加水平移动的弹性力；所述传动轴的首端固定有第4路密度计力感应片、其尾端固定有位移感应片；所述位移传感器固定于密度计外壳内的中后段，且通过位移感应片定位传动轴尾端位置、即确定传动轴水平移动的长度；所述第4路密度计力感应片为测量流体密度的感应片，是用轻质刚性材料加工的矩形长条板，该矩形长条板的中部固定于传动轴首端，该矩形长条板的法线与测量管内流体流向平行、且向测量管内的来流方向凸起；位移传感器的信号线经第4路密度计支撑管与积算电路盒内的积算电路板电性连接；所述第j路密度计与第4路密度计431的结构相同，随着j不同，密度计力感应片的长度不同、密度计支撑管的长度不同，其中j为1、2、3、5和6。
所述积算电路盒通过积算电路盒固定座固定于测量管的外壁面上；在积算电路盒内装配有积算电路板；在积算电路板上有超声波处理芯片、无线数据发送芯片、积算CPU处理器、显示屏、电池、电源开关。
所述积算CPU处理器依据：第j路入口换能器圆板面中心与第j路出口换能器圆板面中心之间的连线长度Lj、该连线与测量管内气流水平流向之间的锐角αj、第j路入口换能器发出的超声波被第j路出口换能器接收到的时间间隔τ1，j、所测得的第j路出口换能器发出的超声波被第j路入口换能器接收到的时间间隔τ2，j，其中j为1、2、3、4、5和6，得到第j路密度计上的密度计力感应片的流体平均流速Vj为
积算CPU处理器依据：第j路密度计上的密度计力感应片的来流面积aj、第j路密度计上弹簧管的弹性系数Kj、第j路密度计上位移传感器测得的传动轴的位移距离Xj,得到第j路密度计上的密度计力感应片的流体平均密度ρj为
积算CPU处理器依据测量管内横截面第j流体区域面积Aj、以及上述两式得出的Vj与ρj，得出测量管内的天然气质量流量G(kg/s)为
综上所述，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著进步，表现为
第一，本发明是一款新型的大口径天然气管道的超声波质量流量计，是对现有技术的一种突破，不仅能测量已知各组份的天然气质量流量，还能测量未知各组份的天然气质量流量、以及组份时常变化的天然气质量流量，克服了大口径管道中天然气流速和密度分布不均、造成对流量测量精度的负面影响，为天然气管网量平衡的监测监控***的实施提供了技术支持，填补国内外天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的大口径天然气管道质量流量的空白与缺陷。
第二，本发明以能够测量组份变化的气体流速、测量的量程很宽、流速测量精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，获得了优化的气体流速计及测量方案，再以能够测量组份变化的气体动态密度、测量的量程宽、气体动态密度的测量精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，特别是居于本案发明的一款新型且实用的气体动态密度计及测量方案，将优化的气体流量计测量方案与气体动态密度计测量方案有机融合，克服了大口径管道中天然气流速和密度分布不均造成对流量测量精度的负面影响，由此构建出了本发明的大口径管道天然气质量流量计，与现有技术相比，具有测量精度更高、测量的量程更宽、能够测量组份未知和组成变化的天然气质量流量的特性。
第三，本发明采取对大口径天然管道的横截面进行分区，在分区中，兼容超声波流速计的特点，即超声波流速计测量的是管道内横截面线流速的特征，并发明出与超声波流速计相匹配的动态密度计，由此技术方案，对大口径天然管道的横截面进行适应性分区、对每个分区采用超声波流速计与之相匹配的动态密度计耦合测量该分区的质量流量，将各分区的测量进行有机集成，提出了测算的数学模型，并构建出一种新型的用于大口径管道的、具有高精度、宽量程的超声波天然气质量流量计。
附图说明
图1是一种大口径天然气管道的超声波质量流量计的结构示意图；
图2是密度计结构示意图；
图3是一种大口径天然气管道的超声波质量流量计横截面的结构示意图；
图中：
1.测量管法兰；411.第4路入口超声波收发器；412.第4路入口超声波收发器信号线；413.第4路入口超声波收发器外管；414.第4路入口超声波收发器安装孔；415.第4路入口换能器；2.测量管；3.积算电路盒；4.积算电路板；5.积算CPU处理器；6.积算电路盒固定座；7.分区域垂直线；431.第4路密度计；432.第4路密度计力感应片；433.第4路密度计支撑管上安装孔；434.第4路密度计支撑管；435.第4路密度计支撑管下安装孔；421.第4路出口超声波收发器；422.第4路出口超声波收发器信号线；423.第4路出口超声波收发器外管；424.第4路出口超声波收发器安装孔；425.第4路出口换能器；436.密度计弹簧管；437.密度计外壳；438.位移传感器；439.桶底；440.位移感应片；441.桶盖，442.传动轴。111.第1路入口超声波收发器；211.第2路入口超声波收发器；311.第3路入口超声波收发器；511.第5路入口超声波收发器；611.第6路入口超声波收发器；133.第1路密度计支撑管上安装孔；233.第2路密度计支撑管上安装孔；333.第3路密度计支撑管上安装孔；533.第5路密度计支撑管上安装孔；633.第6路密度计支撑管上安装孔；131.第1路密度计；231.第2路密度计；331.第3路密度计；531.第5路密度计；631.第6路密度计；121.第1路出口超声波收发器；221.第2路出口超声波收发器；321.第3路出口超声波收发器；521.第5路出口超声波收发器；621.第6路出口超声波收发器；135.第1路密度计支撑管下安装孔；235.第2路密度计支撑管下安装孔；335.第3路密度计支撑管下安装孔；535.第5路密度计支撑管下安装孔；635.第6路密度计支撑管下安装孔；
具体实施方式
实施例一：
下面结合附图1、附图2和附图3的实施例对本发明的实施做进一步详细说明。
本实施例是用于管径DN600大口径天然气管道的超声波质量流量计。
如附图1、附图2和附图3所示，本实施例包括测量管法兰1，测量管2、采控积算单元、流速测量单元和动态密度测量单元；采控积算单元包括积算电路盒3、积算电路板4、积算CPU处理器5、积算电路盒固定座6；由六个即六路入口超声波收发器、六个即六路出口超声波收发器、积算电路板4、积算CPU处理器5组成流速测量单元，由六个即六路密度计、积算电路板4、积算CPU处理器5组成动态密度测量单元；将测量管2内横截面划分为六个流体区域，每个流体区域安置了一路入口超声波收发器和一路个出口超声波收发器，对该区域中心垂线上的天然气平均流速进行测量，并在该区域安置了一个密度计，对该区域中心垂线上的天然气平均动态密度进行测量；积算CPU处理器5通过对各路入口换能器、各路出口换能器、各路密度计的测控，得出流经测量管2内的天然气质量流量。
所述两个测量管法兰1分别固定于测量管2的两端，测量管2为直通管，且通过测量管法兰1与外部待测流量的天然气管道连接，以实现对大口径天然气管道质量流量的测量。
见附图3，在测量管2顺流方向的内横截面上，将水平内直径线按测量管2管内径的1/6长度作五条分区域垂直线7，并由测量管2内壁面线和分区域垂直线7将测量管2内横截面划分为了六个流体区域；见附图1同时对照附图3，在测量管2的入口端、且在第j个流体区域中心的测量管2的上壁面安置有该区域的入口超声波收发器，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路入口超声波收发器111、第2路入口超声波收发器211、第3路入口超声波收发器311、第4路入口超声波收发器411、第5路入口超声波收发器511和第6路入口超声波收发器611；在测量管2的近出口端即测量管2的中后段、且在第j个流体区域中心的测量管2的下壁面安置有该区域的出口超声波收发器，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路出口超声波收发器121、第2路出口超声波收发器221、第3路出口超声波收发器321、第4路出口超声波收发器421、第5路出口超声波收发器521和第6路出口超声波收发器621；在测量管2的出口端、且在第j个流体区域中心的测量管2的上壁面设置有该区域的密度计支撑管上安装孔，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路密度计支撑管上安装孔133、第2路密度计支撑管上安装孔233、第3路密度计支撑管上安装孔333、第4路密度计支撑管上安装孔433、第5路密度计支撑管上安装孔533和第6路密度计支撑管上安装孔633；在测量管2的出口端、且在第j个流体区域中心的测量管2的下壁面设置有该区域的密度计支撑管下安装孔，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路密度计支撑管下安装孔135、第2路密度计支撑管下安装孔235、第3路密度计支撑管下安装孔335、第4路密度计支撑管下安装孔435、第5路密度计支撑管下安装孔535和第6路密度计支撑管下安装孔635；在测量管2的出口端、且在第j个流体区域中心、即密度计支撑管上安装孔与密度计支撑管下安装孔的连线中心，安置有该区域的密度计，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路密度计131、第2路密度计231、第3路密度计331、第4路密度计431、第5路密度计531和第6路密度计631。
见附图1，所述第4路入口超声波收发器外管413为装设第4路入口换能器415的直管，第4路入口换能器415封装于第4路入口超声波收发器外管413内的首部、并与第4路入口超声波收发器外管413内的尾部密封；所述第4路入口换能器415通过其上的第4路入口超声波收发器信号线412与积算电路盒3内的积算电路板4电性连接；所述第4路入口超声波收发器安装孔414为向测量管2出口端倾斜的直道孔；所述第4路入口超声波收发器外管413固定于第4路入口超声波收发器安装孔414内，并且第4路入口超声波收发器外管413的首部恰刚深入到测量管2之内、第4路入口超声波收发器外管413的尾部位于测量管2的外壁面之外。
见附图1并对照附图2，所述第4路出口超声波收发器外管423为装配第4路出口换能器425的直管，第4路出口换能器425封装于第4路出口超声波收发器外管423的首部、并与第4路出口超声波收发器外管423内的尾部密封；所述第4路出口换能器425通过其上的第4路出口超声波收发器信号线422与积算电路盒3内的积算电路板4电性连接；所述第4路出口超声波收发器安装孔424为向测量管2入口端倾斜的直道孔；所述第4路出口超声波收发器外管423固定于第4路出口超声波收发器安装孔424内，并且第4路出口超声波收发器外管423的首部恰刚深入到测量管2之内、第4路出口超声波收发器外管423的尾部位于测量管2的外壁面之外；所述第4路入口换能器415与第4路出口换能器425组成一对对射的换能器，并且第4路入口换能器415的圆板面中心与第4路出口换能器425的圆板面中心之间的连线，在测量管2内与气流水平流向之间构成锐角；所述第4路入口换能器415和第4路出口换能器425均为圆形状陶瓷薄板，用作发射或接收超声波信号的振子；所述第j路入口超声波收发器的结构与第4路入口超声波收发器411的结构相同、第j路出口超声波收发器与第4路出口超声波收发器421的结构相同，第j路入口换能器与第j路出口换能器425组成一对对射的换能器，并且第j路入口换能器的圆板面中心与第j路出口换能器的圆板面中心之间的连线，在测量管2内与气流水平流向之间构成锐角，随着j不同所构成的锐角不同，其中j为1、2、3、5和6。
见附图3和附图1，所述第4路密度计431，包括第4路密度计力感应片432、密度计弹簧管436、密度计外壳437、位移传感器438、桶底439、位移感应片440、桶盖441、传动轴442；所述第4路密度计支撑管434的两端分别固定于第4路密度计支撑管上安装孔433和第4路密度计支撑管下安装孔435，所述第4路密度计支撑管434的中部固定着密度计外壳437；所述密度计外壳437为有桶底439和桶盖441的且由不锈钢材料制成的刚性圆桶、并与测量管2内流体流向同向即水平方向放置；所述桶底439为圆板状的活塞、且通过自身的自动与自由移动以维持密度计外壳437的内外流体压力平衡；所述桶盖441的中部有通孔，密度计弹簧管436外壁面固定于桶盖441通孔的内孔壁面上；所述传动轴442为一段水平直棒，其尾端水平穿过密度计弹簧管436且深入到密度计外壳437内的中后部；所述桶盖441的通孔孔径与密度计弹簧管436的外径相同，传动轴442的轴径与密度计弹簧管436的内径相同；所述密度计弹簧管436对传动轴442起到支撑作用，且当传动轴442水平移动时，对其施加水平移动的弹性力；所述传动轴442的首端固定有第4路密度计力感应片432、其尾端固定有位移感应片440；所述位移传感器438固定于密度计外壳437内的中后段，且通过位移感应片440定位传动轴442尾端位置、即确定传动轴442水平移动的长度；所述第4路密度计力感应片432为测量流体密度的感应片，是用轻质刚性材料碳纤维加工的矩形长条板，该矩形长条板的中部固定于传动轴442首端，该矩形长条板的法线方向与测量管2内流体流向平行、且该矩形长条板面向测量管2内的来流方向凸起；位移传感器438的信号线经第4路密度计支撑管434与积算电路盒3内的积算电路板4电性连接；见附图1和附图2，所述第j路密度计与第4路密度计431的结构相同，随着j不同，密度计力感应片的长度不同、密度计支撑管的长度不同，其中j为1、2、3、5和6。
所述积算电路盒3通过积算电路盒固定座6固定于测量管2的外壁面上；在积算电路盒3内装配有积算电路板4；在积算电路板4上有超声波处理芯片、无线数据发送芯片、积算CPU处理器5、显示屏、电池、电源开关。
见附图1、附图2和附图3，所述积算CPU处理器5依据：第j路入口换能器圆板面中心与第j路出口换能器圆板面中心之间的连线长度Lj、该连线与测量管2内气流水平流向之间的锐角αj、第j路入口换能器发出的超声波被第j路出口换能器接收到的时间间隔τ1，j、所测得的第j路出口换能器发出的超声波被第j路入口换能器接收到的时间间隔τ2，j，其中j为1、2、3、4、5和6，得到第j路密度计上的密度计力感应片的流体平均流速Vj为
积算CPU处理器5依据：第j路密度计上的密度计力感应片的来流面积aj、第j路密度计上弹簧管的弹性系数Kj、第j路密度计上位移传感器测得的传动轴的位移距离Xj,得到第j路密度计上的密度计力感应片的流体平均密度ρj为
积算CPU处理器5依据测量管2内横截面第j流体区域面积Aj、以及上述两式得出的Vj与ρj，得出测量管2内的天然气质量流量G(kg/s)为
本实施例是这样工作的：
将本实例的前后两个测量管法兰1与外部待测流量的DN600管径天然气管道上的法兰连接起来，然后打开积算电路盒3内的电源开关，本实施例，即用于管径为DN600天然气管道的超声波质量流量计，就会自动工作，在积算电路盒3内的显示屏上记录并显示流经测量管2的天然气质量流量。
通过以上实施例对本发明进行了实施应用说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明内容所做的任何改动或变形均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种大口径天然气管道的超声波质量流量计，其特征是: 包括测量管法兰(1)、还包括测量管(2)、采控积算单元、流速测量单元和动态密度测量单元；采控积算单元包括积算电路盒(3)、积算电路板(4)、积算CPU处理器(5)、积算电路盒固定座(6)；由六个即六路入口超声波收发器、六个即六路出口超声波收发器、积算电路板(4)、积算CPU处理器(5)组成流速测量单元，由六个即六路密度计、积算电路板(4)、积算CPU处理器(5)组成动态密度测量单元；将测量管(2)内横截面划分为六个流体区域，每个流体区域安置了一路入口超声波收发器和一路出口超声波收发器，对该区域中心垂线上的天然气平均流速进行测量，并在该区域安置了一个密度计，对该区域中心垂线上的天然气平均动态密度进行测量；积算CPU处理器(5)通过对各路入口换能器、各路出口换能器、各路密度计的测控，得出流经测量管(2)内的天然气质量流量。
2.根据权利要求1所述一种大口径天然气管道的超声波质量流量计，其特征是：在测量管(2)顺流方向的内横截面上，将水平内直径线按测量管(2)管内径的1/6长度作五条分区域垂直线（7），并由测量管(2)内壁面线和分区域垂直线（7）将测量管(2)内横截面划分为了六个流体区域；在测量管(2)的入口端、且在第j个流体区域中心的测量管(2)的上壁面安置有该区域的入口超声波收发器，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路入口超声波收发器（111）、第2路入口超声波收发器（211）、第3路入口超声波收发器（311）、第4路入口超声波收发器（411）、第5路入口超声波收发器（511）和第6路入口超声波收发器（611）；在测量管(2)的近出口端即测量管(2)的中后段、且在第j个流体区域中心的测量管(2)的下壁面安置有该区域的出口超声波收发器，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路出口超声波收发器（121）、第2路出口超声波收发器（221）、第3路出口超声波收发器（321）、第4路出口超声波收发器（421）、第5路出口超声波收发器（521）和第6路出口超声波收发器（621）；在测量管(2)的出口端、且在第j个流体区域中心的测量管(2)的上壁面设置有该区域的密度计支撑管上安装孔，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路密度计支撑管上安装孔（133）、第2路密度计支撑管上安装孔（233）、第3路密度计支撑管上安装孔（333）、第4路密度计支撑管上安装孔（433）、第5路密度计支撑管上安装孔（533）和第6路密度计支撑管上安装孔（633）；在测量管(2)的出口端、且在第j个流体区域中心的测量管(2)的下壁面设置有该区域的密度计支撑管下安装孔，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路密度计支撑管下安装孔（135）、第2路密度计支撑管下安装孔（235）、第3路密度计支撑管下安装孔（335）、第4路密度计支撑管下安装孔（435）、第5路密度计支撑管下安装孔（535）和第6路密度计支撑管下安装孔（635）；在测量管(2)的出口端、且在第j个流体区域中心、即密度计支撑管上安装孔与密度计支撑管下安装孔的连线中心，安置有该区域的密度计，其中j为1、2、3、4、5和6，分别对应的是第1路密度计（131）、第2路密度计（231）、第3路密度计（331）、第4路密度计（431）、第5路密度计（531）和第6路密度计（631）。
3.根据权利要求1和权利要求2所述一种大口径天然气管道的超声波质量流量计，其特征是：所述第4路入口超声波收发器外管（413）为装设第4路入口换能器（415）的直管，第4路入口换能器（415）封装于第4路入口超声波收发器外管413内的首部、并与第4路入口超声波收发器外管（413）内的尾部密封；所述第4路入口换能器（415）通过其上的第4路入口超声波收发器信号线（412）与积算电路盒（3）内的积算电路板（4）电性连接；所述第4路入口超声波收发器安装孔（414）为向测量管(2)出口端倾斜的直道孔；所述第4路入口超声波收发器外管（413）固定于第4路入口超声波收发器安装孔（414）内，并且第4路入口超声波收发器外管（413）的首部恰刚深入到测量管(2)之内、第4路入口超声波收发器外管（413）的尾部位于测量管(2)的外壁面之外。
4.根据权利要求1和权利要求2所述一种大口径天然气管道的超声波质量流量计，其特征是：所述第4路出口超声波收发器外管（423）为装配第4路出口换能器（425）的直管，第4路出口换能器（425）封装于第4路出口超声波收发器外管（423）的首部、并与第4路出口超声波收发器外管（423）内的尾部密封；所述第4路出口换能器（425）通过其上的第4路出口超声波收发器信号线（422）与积算电路盒（3）内的积算电路板（4）电性连接；所述第4路出口超声波收发器安装孔（424）为向测量管(2)入口端倾斜的直道孔；所述第4路出口超声波收发器外管（423）固定于第4路出口超声波收发器安装孔（424）内，并且第4路出口超声波收发器外管（423）的首部恰刚深入到测量管(2)之内、第4路出口超声波收发器外管（423）的尾部位于测量管(2)的外壁面之外；所述第4路入口换能器（415）与第4路出口换能器（425）组成一对对射的换能器，并且第4路入口换能器（415）的圆板面中心与第4路出口换能器（425）的圆板面中心之间的连线，在测量管(2)内与气流水平流向之间构成锐角；所述第4路入口换能器（415）和第4路出口换能器（425）均为圆形状陶瓷薄板，用作发射或接收超声波信号的振子；所述第j路入口超声波收发器的结构与第4路入口超声波收发器（411）的结构相同、第j路出口超声波收发器与第4路出口超声波收发器（421）的结构相同，第j路入口换能器与第j路出口换能器（425）组成一对对射的换能器，并且第j路入口换能器的圆板面中心与第j路出口换能器的圆板面中心之间的连线，在测量管(2)内与气流水平流向之间构成锐角，随着j不同所构成的锐角不同，其中j为1、2、3、5和6。
5.根据权利要求1和权利要求2所述一种大口径天然气管道的超声波质量流量计，其特征是：所述第4路密度计（431），包括第4路密度计力感应片（432）、密度计弹簧管（436）、密度计外壳（437）、位移传感器（438）、桶底（439）、位移感应片（440）、桶盖（441）、传动轴（442）；所述第4路密度计支撑管434的两端分别固定于第4路密度计支撑管上安装孔（433）和第4路密度计支撑管下安装孔（435），所述第4路密度计支撑管（434）的中部固定着密度计外壳（437）；所述密度计外壳（437）为有桶底（439）和桶盖（441）的且由刚性材料制成的圆桶、并与测量管(2)内流体流向同向即水平方向放置；所述桶底（439）为圆板状的活塞、且通过自身的自动与自由移动以维持密度计外壳（437）的内外流体压力平衡；所述桶盖（441）的中部有通孔，密度计弹簧管（436）外壁面固定于桶盖（441）通孔的内孔壁面上；所述传动轴（442）为一段水平直棒，其尾端水平穿过密度计弹簧管（436）且深入到密度计外壳（437）内的中后部；所述桶盖（441）的通孔孔径与密度计弹簧管（436）的外径相同，传动轴（442）的轴径与密度计弹簧管（436）的内径相同；所述密度计弹簧管（436）对传动轴（442）起到支撑作用，且当传动轴（442）水平移动时，对其施加水平移动的弹性力；所述传动轴（442）的首端固定有第4路密度计力感应片（432）、其尾端固定有位移感应片（440）；所述位移传感器（438）固定于密度计外壳（437）内的中后段，且通过位移感应片（440）定位传动轴（442）尾端位置、即确定传动轴（442）水平移动的长度；所述第4路密度计力感应片（432）为测量流体密度的感应片，是用轻质刚性材料加工的矩形长条板，该矩形长条板的中部固定于传动轴（442）首端，该矩形长条板的法线方向与测量管(2)内流体方向平行、且矩形长条板面向测量管(2)内的来流方向凸起；位移传感器（438）的信号线经第4路密度计支撑管（434）与积算电路盒（3）内的积算电路板（4）电性连接；所述第j路密度计与第4路密度计（431）的结构相同，随着j不同，密度计力感应片的长度不同、密度计支撑管的长度不同，其中j为1、2、3、5和6。
6.根据权利要求1所述一种大口径天然气管道的超声波质量流量计，其特征是：所述积算CPU处理器5依据：第j路入口换能器圆板面中心与第j路出口换能器圆板面中心之间的连线长度、该连线与测量管(2)内气流水平流向之间的锐角/>、第j路入口换能器发出的超声波被第j路出口换能器接收到的时间间隔/>、所测得的第j路出口换能器发出的超声波被第j路入口换能器接收到的时间间隔/>，其中j为1、2、3、4、5和6，得到第j路密度计上的密度计力感应片的流体平均流速/>为
积算CPU处理器5依据：第j路密度计上的密度计力感应片的来流面积、第j路密度计上弹簧管的弹性系数/>、第j路密度计上位移传感器测得的传动轴的位移距离/>,得到第j路密度计上的密度计力感应片的流体平均密度/>为
积算CPU处理器5依据测量管(2)内横截面第j流体区域面积、以及上述两式得出的/>与/>，得出测量管(2)内的天然气质量流量/>（kg/s）为：
。
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