CN207215202U - 一种超声流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种超声流量计，包括：测量管；位于所述测量管的管壁上的一个超声发射换能器，用于发射超声信号；位于所述测量管的管壁上的至少两个超声接收换能器，用于接收所述超声发射换能器发射的超声信号。本实用新型中超声发射换能器仅用来发射超声信号，超声接收换能器仅用来接收所述超声发射换能器发射的超声信号，相比于现有技术中超声换能器同时承担超声信号的发射和接收功能，本实用新型提供的超声流量计电路处理更加灵活，控制更为简单。此外，由于本实用新型设置至少两个超声接收换能器接收同一超声发射换能器发射的超声信号来计算流经测量管中的介质的流速，可以很大程度上避免了时间间隔较大带来的流态变化，使信号检测更为准确。

Description

一种超声流量计

技术领域

本实用新型实施例涉及测量技术，尤其涉及一种超声流量计。

背景技术

超声波在气体和流体的流速测量方面具有广泛的应用，和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比，超声波流量计具有计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等优点。

目前市面上主要是计量低流速的超声流量计，即流速在60m/s以下的超声流量计，这导致在火炬气、高压缩气管线场合下由于气体流速过高(通常达到100m/s以上)而很难使用超声流量计；传统的高速气体计量仪表因存在压力损失、具有可动部件等劣势，使得计量的精度较低，其应用也极大的受到了限制。

实用新型内容

本实用新型提供一种超声高压流量计，以提高超声流量计的计量量程，能够较好的解决高速流量的精确计量且又同时能满足低速流量的精确计量。

本实用新型的实施例提供了一种超声流量计，包括：测量管；位于所述测量管的管壁上的一个超声发射换能器，用于发射超声信号；位于所述测量管的管壁上的至少两个超声接收换能器，用于接收所述超声发射换能器发射的超声信号。

进一步地，所述超声发射换能器和所述超声接收换能器相对设置，且分别位于所述测量管的中心轴两侧的侧壁上。

进一步地，所述超声发射换能器和所述超声接收换能器位于所述测量管的中心轴同一侧的侧壁上。

进一步地，沿所述测量管中的介质流向方向，所述超声接收换能器位于所述超声发射换能器的下游。

进一步地，所述超声流量计还包括：处理装置；所述处理装置与所述超声发射换能器以及所述至少两个超声接收换能器连接，并根据如下公式计算所述测量管中的介质的流速：

其中，V为所述测量管中的介质的流速，L₂为所述超声发射换能器与第一超声接收换能器之间的超声信号传输路径长度，t₂为超声信号从所述超声发射换能器传播到所述第一超声接收换能器的时间，L₃为所述超声发射换能器与第二超声接收换能器之间的超声信号传输路径长度，t₃为超声信号从所述超声发射换能器传播到所述第二超声接收换能器的时间，A为所述超声发射换能器与第一超声接收换能器之间的超声信号传输方向与所述测量管中的介质流向方向的夹角，B为所述超声发射换能器与第二超声接收换能器之间的超声信号传输方向与所述测量管中的介质流向方向的夹角；所述第一超声接收换能器以及所述第二超声接收换能器为位于所述测量管的管壁上的任意两个所述超声接收换能器。

进一步地，所述超声发射换能器发射的超声信号经所述测量管的第一内壁反射点反射后被第一超声接收换能器接收；所述超声发射换能器发射的超声信号经所述测量管的第二内壁反射点反射后被第二超声接收换能器接收；所述第一超声接收换能器以及所述第二超声接收换能器为位于所述测量管的管壁上的任意两个所述超声接收换能器；

还包括：处理装置；

所述处理装置与所述超声发射换能器以及所述至少两个超声接收换能器连接，并根据如下公式计算所述测量管中的介质的流速：

其中，V为所述测量管中的介质的流速，L₂为所述超声发射换能器与第一超声接收换能器之间的超声信号传输路径长度，t₂为超声信号从所述超声发射换能器传播到所述第一超声接收换能器的时间，L₃为所述超声发射换能器与第二超声接收换能器之间的超声信号传输路径长度，t₃为超声信号从所述超声发射换能器传播到所述第二超声接收换能器的时间，A为所述超声发射换能器与所述第一内壁反射点之间的超声信号传输方向与所述测量管中的介质流向方向的夹角，B为所述超声发射换能器与所述第二内壁反射点之间的超声信号传输方向与所述测量管中的介质流向方向的夹角。

进一步地，所述超声发射换能器和所述超声接收换能器设置在所述流量管的内壁或外壁。

进一步地，所述测量管的形状包括圆柱形管或方形管。

进一步地，沿所述测量管中的介质流向方向，前两个所述超声接收换能器为所述第一超声接收换能器以及所述第二超声接收换能器。

进一步地，沿所述测量管中的介质流向方向，最后两个所述超声接收换能器为所述第一超声接收换能器以及所述第二超声接收换能器。

本实用新型提供的超声流量计包括一超声发射换能器以及至少两个超声接收换能器，超声发射换能器仅用作发送超声信号，超声接收换能器仅用作接收超声信号，相比于现有技术中超声换能器同时承担超声信号的发射和接收功能，本实用新型提供的超声流量计电路处理更加灵活，控制更为简单。此外，由于本实用新型设置至少两个超声接收换能器接收同一超声发射换能器发射的超声信号来计算流经测量管中的介质的流速，可以很大程度上避免了时间间隔较大带来的流态变化，使信号检测更为准确。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种超声流量计。

图2是本实用新型实施例提供的另一种超声流量计。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

图1为本实用新型实施例提供的一种超声流量计，如图1所示的超声流量计，包括：测量管5；位于测量管5的管壁上的一个超声发射换能器1，用于发射超声信号；位于测量管5的管壁上的至少两个超声接收换能器，用于接收超声发射换能器1发射的超声信号。需要说明的是，对于超声接收换能器的个数可根据实际应用场景进行设置，此处以三个超声接收换能器为例，如图1所示，本实用新型实施例在测量管5的管壁上设置了超声接收换能器2、超声接收换能器3及超声接收换能器4。

具体的，当超声发射换能器1发射超声信号时，超声接收换能器2、超声接收换能器3及超声接收换能器4均可接受到超声发射换能器1发射的超声信号。本实用新型实施例中超声发射换能器1仅用来发射超声信号，超声接收换能器2、3和4仅用来接收超声信号，与现有技术中相互收发的换能器对相比，一方面，换能器的选择有了更大的灵活性，电路处理也得到了很大的简化；另一方面，由于相互收发的换能器对超声信号传输过程为：第一个换能器发射超声信号，第二个换能器接收第一个换能器发射的超声信号之后再将其接收到的超声信号发射给第一个超声换能器，整个过程分为第一个换能器发射信号给第二个换能器，第二个换能器发射信号给第一个换能器两个时间段完成，由于时间间隔较大，不能保证两个时间段内测量管内的介质的流态不发生变化，容易导致信号幅值和特征变化剧烈等问题，影响测量的准确性。本实用新型的实施例采用同一个超声发射换能器1发射超声信号，超声接收换能器2、3和4接收超声信号，由于超声接收换能器2、3和4接收超声信号的时间间隔较近，可以很大程度上避免了时间间隔较大带来的流态变化，使信号检测更为高效。

可选的，超声发射换能器1和超声接收换能器2、3及4相对设置，且分别位于测量管5的中心轴8两侧的侧壁上。需要说明的是，对于超声接收换能器2、3及4的位置关系此处不做具体限定，三者可以设置在同一直线上，也可以不在同一直线上。

具体的，超声流量计还包括处理装置(图中未示出)；处理装置与超声发射换能器1以及超声接收换能器2、3及4中的至少两个连接。

具体的，当超声发射换能器1和超声接收换能器2、3及4相对设置，且分别位于测量管5的中心轴两侧的侧壁上时，如图1所示，设测量管5内介质流速为V，介质流向如箭头7所示，声速为C，超声信号由超声发射换能器1传播到超声接收换能器2的时间为t₂，声程12为L₂，超声接收换能器2接收的超声信号的传输方向与介质流向的夹角22为A；超声信号由超声发射换能器1传播到超声接收换能器3的时间为t₃，声程13为L₃，超声接收换能器3接收到的超声信号的传输方向与介质流向的夹角23为B；超声信号由超声发射换能器1传播到接收换能器4的时间为t₄，声程14为L₄，超声接收换能器4接收到的超声信号的传输方向与介质流向的夹角24为D。根据信号实际的接收情况，选取两组信号较大的通道作为计量，这里以超声接收换能器2为第一超声接收换能器，超声接收换能器3为第二超声接收换能器为例,说明计算测量管5中的介质流速的过程：

超声信号在超声发射换能器1和第一超声接收换能器之间传播的速度为

V₁₂＝C+V*cosA (1)

超声信号由超声发射换能器1到达第一超声接收换能器的时间为

由公式(1)和公式(2)可得

超声信号在超声发射换能器1和第二超声接收换能器之间传播的速度为

超声信号由超声发射换能器1到达第二超声接收换能器的时间为

根据公式(2)和(4)或(3)和(5)可得介质流速为

通过上述计算过程得到介质流速的表达式，结合测量管5的直径6便可以得到介质的流量。为了核实测量及计算结果的正确性，可将介质流速的计算结果带入公式(1)或公式(3)得到声速表达式(7)，通过带入具体数据的到声速的具体数值，与声速在对应介质中的标准数值进行比较，可以判定所计量的介质流速的准确性。

图2为本实用新型实施例提供了另一种超声流量计，如图2所示，超声发射换能器1和超声接收换能器2、3及4位于测量管5的中心轴8同一侧的侧壁上。这种情况下，超声发射换能器1发射的超声信号经过与超声发射换能器相对的测量管5的侧壁的反射，发送至超声接收换能器2、3及4。需要说明的是，超声发射换能器1、超声接收换能器2、3及4可以在同一直线上，也可以不再同一直线上。

可选的，超声流量计还包括处理装置(图中未示出)；处理装置与超声发射换能器1以及超声接收换能器2、3及4中的至少两个连接。

可选的，沿测量管5中的介质流向方向(图2中箭头7表示介质流向方向)，超声接收换能器2、3及4位于所述超声发射换能器1的下游。超声发射换能器1顺流发射超声信号至超声接收换能器2、3及4，与相互收发的换能器对的先顺流发射再逆流发射或先逆流发射再顺流发射相比，信号的信噪比较大，且软件处理过程也比较简单。

具体的，当超声发射换能器1和超声接收换能器2、3及4位于测量管5的中心轴8同一侧的侧壁上，如图2所示，超声信号的传播过程分为从超声发射换能器1到与超声发射换能器1相对的侧壁的第一传播过程及由侧壁反射至超声接收换能器2、3及4的第二传播过程。设测量管5内介质流速为V，介质流向如箭头7所示，声速为C，超声信号由超声发射换能器1传播到超声接收换能器2的声程12为L₂,其为第一传播过程的声程L₂₁和第二传播过程的声程L₂₂之和，且L₂₁和L₂₂大小相等，所用时间t₂为第一传播过程所用时间t₂₁和第二传播过程所用时间t₂₂之和，且t₂₁和t₂₂相等，第一传播过程中超声发射换能器1与第一内壁反射点9之间的超声信号传输方向与测量管中的介质流向方向的夹角为A，第二传播过程中第一内壁反射点9与超声接收换能器2之间的超声信号传输方向与介质流向方向的夹角为a,且A和a相等；超声信号由超声发射换能器1传播到超声接收换能器3的声程13为L₃，其为第一传播过程的声程L₃₁和第二传播过程的声程L₃₂之和，且L₃₁和L₃₂大小相等，所用时间t₃为第一传播过程所用时间t₃₁和第二传播过程所用时间t₃₂之和，且t₃₁和t₃₂相等，第一传播过程中超声发射换能器1与第二内壁反射点10之间的超声信号传输方向与介质流向方向的夹角为B，第二传播过程中第二内壁反射点10与超声接收换能器3之间的超声信号传输方向与介质流向方向的夹角为b，且B和b相等；超声信号由超声发射换能器1传播到超声接收换能器4的声程14为L₄第一传播过程的声程L₄₁和第二传播过程的声程L₄₂之和，且L₄₁和L₄₂大小相等，所用时间t₄为第一传播过程所用时间t₄₁和第二传播过程所用时间t₄₂之和，且t₄₁和t₄₂相等，第一传播过程中超声发射换能器1与第三内壁反射点11之间的超声信号传输方向与介质流向方向的夹角为D，第二传播过程中第三内壁反射点11与超声接收换能器4之间的超声信号传输方向与介质流向方向的夹角为d，且D和d相等。根据信号实际的接收情况，选取两组信号较大的通道作为计量，这里以超声接收换能器2为第一超声接收换能器，超声接收换能器3为第二超声接收换能器为例，超声发射换能器1发射的超声信号经测量管5的第一内壁反射点9反射后被第一超声接收换能器接收；超声发射换能器1发射的超声信号经测量管5的第二内壁反射点10反射后被第二超声接收换能器接收。

超声信号在超声发射换能器1和第一超声接收换能器之间传播的速度为

V₁₂＝C+V*cosA (8)

超声信号由超声发射换能器1到达第一超声接收换能器的时间为

由公式(8)和公式(9)可得

超声信号在超声发射换能器1和第二超声接收换能器之间传播的速度为

超声信号由超声发射换能器1到达第二超声接收换能器的时间为

根据公式(9)和(11)或(10)和(12)可得介质流速为

通过上述计算过程得到介质流速的表达式，结合测量管5的直径6便可以得到介质的流量。为了核实测量及计算结果的正确性，可将介质流速的计算结果带入公式(8)或公式(10)得到声速表达式(14)，通过带入具体数据的到声速的具体数值，与声速在对应介质中的标准数值进行比较，可以判定所计量的介质流速的准确性。

可选的，第一超声接收换能器以及第二超声接收换能器为位于所述测量管的管壁上的任意两个所述超声接收换能器。

可选的，超声发射换能器1和所述超声接收换能器2、3及4设置在所述流量管的内壁或外壁。

可选的，测量管5的形状包括圆柱形管或方形管。

在具体测量过程中可以根据实际情况在沿介质流向上增加超声接收换能器的数量。当待测介质的流速较小时，信号传播时间内介质整体偏移较小，沿测量管中的介质流向方向，靠近上游的信号接收换能器能够接收到较强的信号，具有较高的信噪比，如可选沿测量管中介质流向方向，前两个超声接收换能器分别为上述计算过程中的第一超声接收换能器以及第二超声接收换能器。当待测介质的流速较大时，信号传播时间内介质整体偏移较大，沿测量管中的介质流向方向，靠近下游的信号接收换能器能够接收到较强的信号，具有较高的信噪比，沿测量管中的介质流向方向，如选最后两个超声接收换能器和分别为上述计算过程中的第一超声接收换能器以及第二超声接收换能器。

本实用新型实施例提供的超声流量计，通过有一个超声发射换能器发射超声信号时，多个超声接收换能器均可接受到超声信号，超声发射换能器仅用来发射超声信号，超声接收换能器仅用来接收超声信号，对低流速和高流速介质的流量均可实现准确计量，提高了超声流量计的计量量程。且与相互收发的换能器对相比，一方面，换能器的选择有了更大的灵活性，电路处理也得到了很大的简化；另一方面，多个超声接收换能器接收信号的时间间隔较近，很大程度上避免了时间间隔较大带来的流态变化，使信号检测更为高效。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (8)

1.一种超声流量计，其特征在于，包括：

测量管；

位于所述测量管的管壁上的一个超声发射换能器，用于发射超声信号；

位于所述测量管的管壁上的至少两个超声接收换能器，用于接收所述超声发射换能器发射的超声信号。

2.根据权利要求1所述的超声流量计，其特征在于，所述超声发射换能器和所述超声接收换能器相对设置，且分别位于所述测量管的中心轴两侧的侧壁上。

3.根据权利要求1所述的超声流量计，其特征在于，所述超声发射换能器和所述超声接收换能器位于所述测量管的中心轴同一侧的侧壁上。

4.根据权利要求1所述的超声流量计，其特征在于，沿所述测量管中的介质流向方向，所述超声接收换能器位于所述超声发射换能器的下游。

5.根据权利要求2所述的超声流量计，其特征在于，还包括：用于计算所述测量管中的介质的流速的处理装置；所述处理装置与所述超声发射换能器以及所述至少两个超声接收换能器连接。

6.根据权利要求3所述的超声流量计，其特征在于，所述超声发射换能器发射的超声信号经所述测量管的第一内壁反射点反射后被第一超声接收换能器接收；所述超声发射换能器发射的超声信号经所述测量管的第二内壁反射点反射后被第二超声接收换能器接收；所述第一超声接收换能器以及所述第二超声接收换能器为位于所述测量管的管壁上的任意两个所述超声接收换能器；

还包括：用于计算测量管中的介质的流速的处理装置；

所述处理装置与所述超声发射换能器以及所述至少两个超声接收换能器连接。

7.根据权利要求1所述的超声流量计，其特征在于，所述超声发射换能器和所述超声接收换能器设置在所述流量管的内壁或外壁。

8.根据权利要求1所述的超声流量计，其特征在于，所述测量管的形状包括圆柱形管或方形管。