專利名稱：管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，屬機(jī)械動(dòng)力裝置測(cè)量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，管道的氣體流速通常采用風(fēng)速計(jì)、畢托管、孔板等設(shè)備進(jìn)行測(cè)量。 其中，點(diǎn)式測(cè)量計(jì)只能測(cè)到測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)速，實(shí)際的平均風(fēng)速需要在測(cè)量截面處 進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量才能得到；孔板式一類的測(cè)量?jī)x器對(duì)管道內(nèi)氣流產(chǎn)生的壓力損失 較大。
目前已有采用聲速原理測(cè)量管道內(nèi)液體流量的設(shè)備，但是它不能用于管道 的氣體流速測(cè)量。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種實(shí)時(shí)測(cè)量管道內(nèi)實(shí)際的氣體 流速和聲速，并且不影響管道內(nèi)氣體的流動(dòng)的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)。
本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問題而采用的技術(shù)方案是提出一種管道氣體 流速和聲速測(cè)量計(jì)，包括第一聲源、第一聲音傳感器、第二聲音傳感器、以及 信號(hào)分析采集器。第一聲源設(shè)于具有已知直徑的氣體管道內(nèi)壁，第一聲源可發(fā) 出第一聲音信號(hào)。第一聲音傳感器和第二聲音傳感器設(shè)于該管道內(nèi)壁，用以接 收聲音信號(hào)。其中第二聲音傳感器、第一聲音傳感器與第一聲源設(shè)于該管道縱 截面的相對(duì)兩側(cè)，且第二聲音傳感器與第一聲音傳感器相距一己知距離。信號(hào) 分析采集器，連接第一聲源、第一聲音傳感器及第二聲音傳感器，并依據(jù)管道 直徑、該距離、以及第一聲音信號(hào)分別被第一聲音傳感器和第二聲音傳感器接 收的第一時(shí)間和第二時(shí)間計(jì)算氣體流速和氣體中的聲速。
在上述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)中，第一聲音傳感器位于管道中第一聲源的上游，第二聲音傳感器位于管道中第一聲源的下游。
在上述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)中，第一聲音傳感器和第一聲源之間 的距離與第二聲音傳感器和第一聲源的之間距離相等。
在上述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)中，第一聲音傳感器和第一聲源之間 的距離與第二聲音傳感器和第一聲源的之間距離不相等。
在上述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)中，還可包括第二聲源，設(shè)于管道內(nèi) 壁，第二聲源可發(fā)出第二聲音信號(hào)，其中第二聲源與第一聲源設(shè)于管道縱截面的 同側(cè)；其中信號(hào)分析采集器還連接第二聲源且根據(jù)第二聲音信號(hào)分別被第一聲
音傳感器和第二聲音傳感器接收的第三時(shí)間和第四時(shí)間計(jì)算氣體流速和氣體
中的聲速。
在上述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)中，第一聲源與第一聲音傳感器關(guān)于 管道中心線對(duì)稱設(shè)置，該第二聲源與第二聲音傳感器關(guān)于管道中心線對(duì)稱設(shè) 置。
在上述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)中，第一聲源和第二聲源分別發(fā)出的 第一聲音信號(hào)和第二聲音信號(hào)是髙頻脈沖串噪聲。
本實(shí)用新型的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，可在不同壓力、溫度、流速的氣 體管道內(nèi)不受影響地測(cè)量實(shí)際的流速、聲速，具有穩(wěn)定、快速、操作簡(jiǎn)便、價(jià)
格較低等方面優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)用新型既適用于類似柴油機(jī)等設(shè)備的排氣管道中實(shí)際 的氣體流速和聲速的測(cè)量，也適合其它管道氣體流速的測(cè)量。


為讓本實(shí)用新型的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，
以下結(jié)合附圖對(duì) 本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)說明，其中-
圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的單點(diǎn)聲音結(jié)構(gòu)測(cè)量計(jì)的布置示意圖。
圖2是圖1所示測(cè)量計(jì)的聲速和氣體流速合成示意圖。
圖3A和圖3B是根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的雙點(diǎn)聲音結(jié)構(gòu)測(cè)量計(jì)的布置示 意圖。
圖4是本實(shí)用新型的測(cè)量計(jì)的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用例。
具體實(shí)施方式

研究流動(dòng)氣體管道元件的工作，需要正確測(cè)量管道中實(shí)際的氣體流速和聲 速。但是，在類似柴油機(jī)等設(shè)備的排氣管道中，氣體的流量、溫度、壓力、介 質(zhì)特性等影響了排氣管道中的氣體流速和聲速。本實(shí)用新型是基于速度矢量合 成的原理，即流動(dòng)氣體中任意點(diǎn)的氣體流速與該點(diǎn)氣體中傳播聲速的矢量疊加 形成該點(diǎn)的合成聲速。因此，本實(shí)用新型能夠不受溫度、壓力、介質(zhì)特性等因 素的影響，實(shí)時(shí)測(cè)量氣體的流速和聲速。
本實(shí)用新型的基本構(gòu)思是，在管道內(nèi)，順管道流動(dòng)的氣體和在流動(dòng)氣體中 四處傳播的聲速疊加，在聲源上游的合成聲速小于聲源的合成聲速，而在聲音 下游的合成聲速大于聲源的合成聲速。分別測(cè)量聲源上游的合成聲速和聲源下 游的合成聲速，通過解算可得到管道內(nèi)氣體的流速和聲速。
在本實(shí)用新型的多個(gè)實(shí)施例中，把聲源和聲音檢測(cè)點(diǎn)相對(duì)管道中心線對(duì)面 布置，使從聲源到聲音檢測(cè)點(diǎn)傳播途徑橫越管道氣流截面，使測(cè)到的氣流速度 為管道的平均氣流速度。
以下結(jié)合附圖描述本實(shí)用新型的多個(gè)實(shí)施例。
圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一實(shí)施例的單點(diǎn)聲音結(jié)構(gòu)測(cè)量計(jì)的布置示意圖。參照 圖l所示，本實(shí)施例的一種管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)100，包括第一聲源101、
第一聲音傳感器102、第二聲音傳感器103以及信號(hào)分析采集器104。第一聲 源101、第一聲音傳感器102、第二聲音傳感器103均設(shè)于管道110的內(nèi)壁。 在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，可以通過開孔、接頭或接管等方式，使聲源101和 聲音傳感器102、 103與管道110內(nèi)的氣體直接連通。
第一聲源101設(shè)在管道內(nèi)中相對(duì)簡(jiǎn)單且截面不變的直管道處的中間管壁 上。第一聲源101可發(fā)出第一聲音信號(hào)。在一個(gè)較佳實(shí)施例中，第一聲源101 能發(fā)出高頻脈沖串噪聲。第一聲音傳感器102、第二聲音傳感器103則設(shè)在與 第一聲音101位于同一管道縱截面內(nèi)的另一側(cè)管壁上。其中縱截面為通過管道 中心線的截面。在本實(shí)施例中，第一聲音傳感器102位于在第一聲源101的上 游，第二聲音傳感器103位于在第一聲源101的下游，并且第一聲音傳感器102 和第二聲音傳感器103相距已知距離2L。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和計(jì)算，第一聲音傳感器 102與第一聲源101的距離和第二聲音傳感器103與第一聲源101的距離相同。但在另一實(shí)施例中，二者的距離可以不同。
信號(hào)分析采集器104，連接第一聲源101、第一聲音傳感器102及第二聲 音傳感器103，并對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行控制和分析計(jì)算。
在圖1中，"為管道直徑或垂直氣流方向的聲源與聲音接收傳感器的距離， 丄為平行氣流方向的聲源與聲音接收傳感器的距離，W為第一聲音信號(hào)(如高 頻脈沖串噪聲信號(hào))發(fā)出的時(shí)間， 〃 為第一聲音傳感器102接收到高頻脈沖串 噪聲信號(hào)的時(shí)間，^為第二聲音傳感器103接收到高頻脈沖串噪聲信號(hào)的時(shí)間。 假定測(cè)量時(shí)，管道內(nèi)任意點(diǎn)的聲速相對(duì)流動(dòng)的氣體各向同性、任意方向的聲速 相同；氣體流速為管道內(nèi)聲源至聲音接收點(diǎn)間平均的氣體流速。合成聲速(參 照?qǐng)D2)為兩點(diǎn)間距離除以時(shí)間，通過測(cè)量時(shí)間〃、C，解算后可得到聲速和 氣體流速。
求解的計(jì)算公式如下。
2丄x /I x f 2
2丄x,lxf2 .......................................... (2)
式(l)、式(2)中
Ks--聲速，附A;
r"z>--氣體流速，附A。
信號(hào)分析采集器104依據(jù)上述的式(1)、式(2)即可準(zhǔn)確計(jì)算氣體流速和氣體
中的聲速。
當(dāng)管道和氣體的溫度較高時(shí)，可以將聲源和聲音傳感器采用冷卻的測(cè)量附 加管路引出到降了溫的地方。因此，單點(diǎn)聲源結(jié)構(gòu)測(cè)量發(fā)出脈沖噪聲信號(hào)至接 收到脈沖噪聲信號(hào)的第一時(shí)間W、第二時(shí)間^，受附加管路的影響，精度會(huì)降 低。
為此，本實(shí)用新型的另一實(shí)施例提出一種兩點(diǎn)聲源結(jié)構(gòu)的測(cè)量計(jì)。兩點(diǎn)聲 源結(jié)構(gòu)僅測(cè)量被測(cè)量聲速和氣體流速的工作管道內(nèi)上、下游聲音接收傳感器收 到聲源發(fā)出脈沖噪聲信號(hào)的時(shí)間差，屏蔽了附加冷卻管路的影響；并且在相同 的條件下，加大了聲源與接收傳感器的距離，因此提高了測(cè)量精度。
圖3A和圖3B是根據(jù)本實(shí)用新型另一實(shí)施例的雙點(diǎn)聲音結(jié)構(gòu)測(cè)量計(jì)的布置示意圖。參照?qǐng)D3A和圖3B所示，本實(shí)施例的一種管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)200， 包括第一聲源201、第二聲源202、第一聲音傳感器203、第二聲音傳感器204 以及信號(hào)分析采集器205。第一聲源201、第二聲源202、第一聲音傳感器203、 第二聲音傳感器204均設(shè)于管道210的內(nèi)壁。在本實(shí)用新型的實(shí)施例中，可以 通過開孔、接頭或接管等方式，使聲源201、 202和聲音傳感器203、 204與管 道210內(nèi)的氣體直接連通。
第一聲源201、第二聲源202設(shè)在需要測(cè)流速和聲速的管道中，在相對(duì)簡(jiǎn) 單不變截面的直管道處，并相隔一段距離L。第二聲源201、第二聲源202可 分別發(fā)出第一聲音信號(hào)和第二聲音信號(hào)。在一個(gè)較佳實(shí)施例中，第一聲源201、 第二聲源202能發(fā)出高頻脈沖串噪聲。在沿管道的縱剖面上，軸線的一側(cè)設(shè)置 第一聲源201、第二聲源202，而另一側(cè)設(shè)置第一聲音傳感器203、第二聲音傳 感器204。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和計(jì)算，聲源20K 202和聲音傳感器203、 204的關(guān)于 管道中心線對(duì)稱布置。
信號(hào)分析采集器205連接第一聲源201、第二聲源202、第一聲音傳感器 203及第二聲音傳感器204，并對(duì)測(cè)量過程進(jìn)行控制和分析計(jì)算。
測(cè)量過程如下首先，位于上游的第一聲源201發(fā)出第一聲音信號(hào)(如高 頻脈沖串的噪聲)，參照?qǐng)D3A，兩個(gè)聲音傳感器間隔時(shí)間n(U6-〃fl)先后接 收到噪聲，其中Wa為第一聲音傳感器203收到噪聲的第一時(shí)間，H6為第二聲 音傳感器204收到噪聲的第二時(shí)間。然后，位于下游的第二聲源202發(fā)出第二 聲音信號(hào)(如高頻脈沖串的噪聲)，參照?qǐng)D3B，兩個(gè)聲音傳感器間隔時(shí)間 r2H2fl-G6)先后接收到噪聲，其中G"為第一聲音傳感器203收到噪聲的第三 時(shí)間，為第二聲音傳感器204收到噪聲的第四時(shí)間。
當(dāng)氣體流速和第一聲源201在測(cè)量段內(nèi)聲音的聲速方向相同時(shí)，合成聲速 為氣體流速和相同方向聲速的幅值相加——大于聲速；當(dāng)氣體流速和第二聲源 202在測(cè)量段內(nèi)聲音的聲速方向相反時(shí)，合成聲速為氣體流速和逆向聲速的幅 值相減——小于聲速。因此，通過相同距離L的時(shí)間差77<77。
解算后得出管道內(nèi)氣體流速r氣流和管道內(nèi)無氣體流動(dòng)的聲速7聲。
由于聲源和聲音傳感器在管道兩側(cè)布置，合成聲速橫越管道傳播，因此氣 體流速可以認(rèn)為是管道橫越途徑中的平均值。求解的計(jì)算公式如下。
<formula>formula see original document page 9</formula> (3)
<formula>formula see original document page 9</formula> (4)
式(3)、式(4)中
Ky--聲速，也記作廠聲，m/s;
Fm7"--氣體流速，也記作F氣流，m/s;
丄一一聲源與聲音接收傳感器的橫向距離，m;
Z)~—管道直徑，聲源與聲音接收傳感器的垂向距離，m;
〃一—兩聲音接收傳感器收到上游聲源(l)發(fā)出脈沖噪聲信號(hào)的時(shí)間差，s;
G—一兩聲音接收傳感器收到下游聲源(2)發(fā)出脈沖噪聲信號(hào)的時(shí)間差，s'
圖4是本實(shí)用新型的測(cè)量計(jì)的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用例。在此應(yīng)用例中，采用圖3A、 3B所示實(shí)施例中的兩點(diǎn)聲源結(jié)構(gòu)，其中測(cè)量管道310采用軸向幾何尺度較大， 聲波傳播的時(shí)間較長(zhǎng)的產(chǎn)品，因此精度較高。聲源301、 302為水冷噪聲注入 器，其內(nèi)設(shè)置揚(yáng)聲器301a、 302a。聲音傳感器303、 304可采用水冷噪聲測(cè)量 器，它們分別連接測(cè)量話筒303a、 304a。這些部件及信號(hào)分析采集器(圖未示) 均可采用市售的產(chǎn)品。
在本應(yīng)用例中，聲速范圍每秒數(shù)百米，氣體流速在每秒數(shù)十米，管道內(nèi)氣 體溫度在攝氏數(shù)百度以內(nèi)，聲源301、 302及聲音傳感器303、 304通過水冷處 理，對(duì)脈沖噪聲信號(hào)的時(shí)間測(cè)量采用時(shí)間分辨率為10us的采集器。聲速和氣體 流速的分辨率為每秒數(shù)0.1米，實(shí)際達(dá)到每秒1米的精度。此應(yīng)用例可以滿足 柴油機(jī)排氣系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)和研究的需要。
綜上所述，本實(shí)用新型的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，可在不同壓力、溫度、 流速的氣體管道內(nèi)不受影響地快速、精確測(cè)量實(shí)際的流速、聲速。相比以往的 點(diǎn)式測(cè)量計(jì)，本測(cè)量計(jì)可以測(cè)量管道內(nèi)氣體的平均流速，相比以往的板式測(cè)量 計(jì)，本測(cè)量計(jì)不會(huì)對(duì)管道內(nèi)氣流產(chǎn)生明顯影響。因此本實(shí)用新型的管道氣體流 速和聲速測(cè)量計(jì)具有穩(wěn)定、快速、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格較低等方面優(yōu)點(diǎn)。
另外，本實(shí)用新型的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，在研究和實(shí)測(cè)柴油機(jī)排氣消聲器的流速、聲速中，具有快速和精度高的特點(diǎn)。
雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本實(shí)用新
型，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許 的修改和完善，因此本實(shí)用新型的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1. 一種管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，其特征在于包括第一聲源，設(shè)于具有已知直徑的氣體管道內(nèi)壁，該第一聲源可發(fā)出第一聲音信號(hào)；第一聲音傳感器，設(shè)于該管道內(nèi)壁，用以接收聲音信號(hào)；第二聲音傳感器，設(shè)于該管道內(nèi)壁，用以接收聲音信號(hào)；其中該第二聲音傳感器、該第一聲音傳感器與該第一聲源設(shè)于該管道縱截面的相對(duì)兩側(cè)，且該第二聲音傳感器與該第一聲音傳感器相距一已知距離；信號(hào)分析采集器，連接該第一聲源、第一聲音傳感器及第二聲音傳感器，并依據(jù)該管道直徑、該距離、以及該第一聲音信號(hào)分別被該第一聲音傳感器和該第二聲音傳感器接收的第一時(shí)間和第二時(shí)間計(jì)算氣體流速和氣體中的聲速。
2. 如權(quán)利要求1所述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，其特征在于，該第 一聲音傳感器位于管道中該第一聲源的上游，該第二聲音傳感器位于管道中該 第一聲源的下游。
3. 如權(quán)利要求1所述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，其特征在于，該第 一聲音傳感器和該第一聲源之間的距離與該第二聲音傳感器和該第一聲源的 之間距離相等。
4. 如權(quán)利要求1所述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，其特征在于，該第 一聲音傳感器和該第一聲源之間的距離與該第二聲音傳感器和該第一聲源的 之間距離不相等。
5. 如權(quán)利要求1所述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，其特征在于，還包括第二聲源，設(shè)于該管道內(nèi)壁，該第二聲源可發(fā)出第二聲音信號(hào)，其中該第二 聲源與該第一聲源設(shè)于該管道縱截面的同側(cè)；其中該信號(hào)分析采集器還連接該第二聲源且根據(jù)該第二聲音信號(hào)分別被 該第一聲音傳感器和該第二聲音傳感器接收的第三時(shí)間和第四時(shí)間計(jì)算氣體 流速和氣體中的聲速。
6. 如權(quán)利要求5所述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，其特征在于，該第一聲源與該第一聲音傳感器關(guān)于管道中心線對(duì)稱設(shè)置，該第二聲源與該第二聲 音傳感器關(guān)于管道中心線對(duì)稱設(shè)置。
7.如權(quán)利要求5所述的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，其特征在于，該第一聲源和該第二聲源分別發(fā)出的該第一聲音信號(hào)和第二聲音信號(hào)是高頻脈沖 串噪聲。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于速度矢量合成的原理的管道氣體流速和聲速測(cè)量計(jì)，包括第一聲源、第一聲音傳感器、第二聲音傳感器、以及信號(hào)分析采集器。第一聲源設(shè)于具有已知直徑的氣體管道內(nèi)壁，第一聲源可發(fā)出第一聲音信號(hào)。第一聲音傳感器和第二聲音傳感器設(shè)于該管道內(nèi)壁，用以接收聲音信號(hào)。其中第二聲音傳感器、第一聲音傳感器與第一聲源設(shè)于該管道縱截面的相對(duì)兩側(cè)，且第二聲音傳感器與第一聲音傳感器相距一已知距離。信號(hào)分析采集器連接第一聲源、第一聲音傳感器及第二聲音傳感器，并依據(jù)管道直徑、該距離、以及第一聲音信號(hào)分別被第一聲音傳感器和第二聲音傳感器接收的第一時(shí)間和第二時(shí)間計(jì)算氣體流速和氣體中的聲速。
文檔編號(hào)G01P5/24GK201247251SQ20082015221
公開日2009年5月27日 申請(qǐng)日期2008年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月21日
發(fā)明者吳恒亮, 朱廉潔, 英 李, 沈飛翔, 林 賀, 韓彥民 申請(qǐng)人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所