專利名稱：一種雙道混合型超聲波流量計及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超聲波流量計及測量方法，尤其是一種雙道雙模式混合型超聲波流量計及測量方法。
背景技術(shù)：
隨著傳感技術(shù)和集成電路的迅速發(fā)展，超聲波流量計不斷得以改進。眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，而且在石油化工能源輸送領(lǐng)域?qū)α髁坑嫷木纫筇貏e高，特別是用于貿(mào)易交接的流量計檢測儀器。超聲波流量計因在輸送流體的管道管壁上安裝超聲波發(fā)送/接收傳感器，并通過與傳感器相連的集成電路計算出流過管道的流體流量，其流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量強腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題；而且管道外安裝、非接觸式測流的特點便于安裝和檢修，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量?，F(xiàn)有的超聲波流量計依原理主要分為兩大類延時法和多普勒法。其中延時法超聲波流量計(Transit Time Ultrasonic Flowmeter)的工作原理是利用一對超聲波換能器相向交替(或同時)收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法。這種方法需要超聲波穿透流體，因此要求流體不能有含有太多的氣泡或雜質(zhì)使信號強度大幅衰減，適用于測量比較純凈的流體。多普勒超聲波流量計(Doppler Ultrasonic Flowmeter)的測量原理是以物理學中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的，根據(jù)聲學多普勒效應(yīng)，當聲源和觀察者之間有相對運動時， 觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個因相對運動而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。因此，多普勒超聲波流量計測量的一個必要的條件是被測流體介質(zhì)應(yīng)是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質(zhì)。因此，多普勒法適用于雜質(zhì)或者氣泡比較多的流體。由上面的分析可以看到時差法與多普勒法要求的流體性質(zhì)正好相反，應(yīng)用的場合也很不相同?，F(xiàn)有的實際應(yīng)用中，用戶需根據(jù)流體性質(zhì)選擇相應(yīng)的流量計，但在很多應(yīng)用中流體的性質(zhì)會隨時間和工況的變化發(fā)生改變。例如，水泵站在正常運行時水質(zhì)清、氣泡少， 適合使用時差法流量計，但在水泵剛剛開啟的一段時間內(nèi)往往會有較多沙土和氣泡通過管道，這時又適合使用多普勒流量計。因此，單一的流量計并不能滿足高精度的流量測量場
I=I O現(xiàn)在市場上已經(jīng)有少量時差法與多普勒法結(jié)合的混合型流量計機型，但都是實現(xiàn)模式切換，不能同時綜合使用時差法和多普勒法，而很多流量工況下時差法和多普勒法都可以一定程度上完成測量，選擇單一的測量結(jié)果無法全面地反應(yīng)流速的分布信息。大多數(shù)混合型超聲波流量計使用單一的時差法和多普勒法聲道，易受流量分布和雜質(zhì)狀況的隨機影響，無法獲得更穩(wěn)定和可靠的測量。美國專利專利號為US 7437948 B2，專利名稱為 ((ULTRASONIC FLOWMETER ANDULTRASONIC FLOW RATE MEASUREMENT METHOD》專利文獻中公開了一種超聲波流量計及超聲波流量的測量方法。強調(diào)超聲波發(fā)射和接收在同一軸線上， 所述測量方法包括傳輸時間差法和脈沖多普勒法，所述傳輸時間差法、脈沖多普勒法可根據(jù)外部信號或指令同時測量或者單獨測量流體流量，但上述兩種測量方法沒有互相結(jié)合起來對待測流體流量進行測量，所述脈沖多普勒法需單獨測量流體流經(jīng)管道的橫截面的流速分布，存在實際現(xiàn)場測量的適應(yīng)性問題，對待測流體中移動雜質(zhì)分布要求高，而現(xiàn)實中流體的移動雜質(zhì)多集中在流體中心，故其精度難以保證；所述超聲波流量計包括第一流量測量單元、第二流量測量單元、多個第一和第二傳感器單元、及用于使第一和第二測量單元共用所述傳感器單元的傳感器轉(zhuǎn)換單元。所述第一和第二測量單元共用一對電/超聲波傳感器，并且各測量單元獨立計算待測流體的流量，存在對待測流體流質(zhì)要求高，測量精度低的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于延時法和多普勒法結(jié)合的雙道的超聲波流量測量方法；本發(fā)明的另一目的是提供一種雙道混合型超聲波流量計，所述流量計利用了延時法和多普勒法的測量原理，并且采用了雙道的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種雙道混合型超聲波流量測量方法，包括以下步驟Si.采用雙道多普勒法測得流經(jīng)管道中心流體的中心流速Vc ；S2.采用雙道延時法測得經(jīng)過管道中心的聲道的流體線平均流速Vxc ；S3.基于測量所得的中心流速Vc、線平均流速Vxc，計算出待測流體的流速分布， 從而得到平均流速Vavg ；S4.根據(jù)平均流速Vavg計算得到待測流體流量并輸出待測流體的流量。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟Sl中，多普勒法采用雙道連續(xù)波，發(fā)出的聲波經(jīng)管道中心區(qū)域的雜質(zhì)或氣泡反射后被接收傳感器接收，測得管道中心區(qū)域的中心流速Vc。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述多普勒法和延時法各自采用兩個測量聲道，每一個聲道可以獨立完成流量測量，每一種方法的流量結(jié)果由兩個聲道的測量結(jié)果經(jīng)過對比、加權(quán)平均計算得出。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟S3包括以下步驟由中心流速Vc和線平均流速Vxc估算待測流體的雷諾系數(shù)Re ；將待測流體的雷諾系數(shù)Re與設(shè)定范圍值比較；根據(jù)上述的比較結(jié)果，確定待測流體的流體狀態(tài)，所述流體狀態(tài)包括當流體的雷諾系數(shù)Re大于設(shè)定范圍上限值時，流體處于紊流狀態(tài)；當流體的雷諾系數(shù)Re小于設(shè)定范圍下限值時，流體處于層流狀態(tài)；
當流體的雷諾系數(shù)Re處于設(shè)定范圍值區(qū)間內(nèi)時，流體處于中間過渡狀態(tài)；根據(jù)待測流體所處的流體狀態(tài)，選擇相應(yīng)的測量模式，計算待測流體的平均流速 Vavg，所述測量模式包括當待測流體處于層流狀態(tài)時，根據(jù)vavg = |v。和vavg = |vxc的加權(quán)平均計算平均流速Vavg ；當待測流體處于紊流狀態(tài)時，由已獲得的Vc和Vxc根據(jù)紊流流速分布公式
V (r) = 1(1-丄只計算出其中的曲面特征參數(shù)N，然后計算出平均流速Vavg，其中Vc為中 R
心流速，V(r)為距離管道中心點距離為r的流體流速，r為距離管道中心點的距離，R為管道的直徑，N為曲面特征參數(shù)；當待測流體處于中間過渡狀態(tài)時，先分別根據(jù)層流狀態(tài)、紊流狀態(tài)的計算方法計算出平均流速Vavg，然后對兩種方法得到的平均流速Vavg進行加權(quán)平均，所得最終結(jié)果作為中間過渡狀態(tài)時的平均流速Vavg。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述雷諾系數(shù)的設(shè)定范圍值可選為1000 5000。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述步驟S3還包括對延時法和多普勒法的測量信號進行智能判斷當延時法與多普勒法測量信號均可接受時，根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法得到流量
結(jié)果；當延時法測量信號不可接受時，延時法的測量結(jié)果加權(quán)系數(shù)為零，由多普勒法得到Re估算值，紊流狀態(tài)和過渡狀態(tài)下由經(jīng)驗公式N= 1.66*log(Re)得到曲面特征參數(shù)N 值；當多普勒法測量信號不可接受時，多普勒法的測量結(jié)果加權(quán)系數(shù)為零，由延時法得到Re估算值，紊流狀態(tài)和過渡狀態(tài)下由經(jīng)驗公式N= 1.66*log(Re)得到曲面特征參數(shù)N值。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述延時法和多普勒法傳感器可以采用不同頻率或編碼。一種雙道混合型超聲波流量計，包括四個傳感器單元和一個電子裝置，四個傳感器單元位于一個通過管道軸線的平面上并固定安裝在管道外壁上，通過導(dǎo)線與電子裝置連接。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述每一個傳感器單元包括一延時法超聲波換能器和多普勒法超聲波換能器，所述延時法超聲波換能器和多普勒法超聲波換能器位于不同的軸線上。進一步作為優(yōu)選的實施方式，所述電子裝置包括延時法測量單元、多普勒法測量單元、測量信號判斷單元、流量計算單元和流量輸出單元，所述延時法測量單元和多普勒測量單元的測量信號輸出給測量信號判斷單元，所述測量信號經(jīng)智能判斷后輸出給流量計算單元，經(jīng)流量計算單元運算后將待測流體流量從流量輸出單元輸出顯示。進一步作為優(yōu)選的實施方式，調(diào)整管道外壁上傳感器單元的位置，組成Z型或V型安裝的延時法測量裝置。
本 發(fā)明的有益效果是本發(fā)明測量方法通過結(jié)合多普勒法和延時法，解算出流體流速分布的曲面特征參數(shù)，減小了流量受流速分布的影響，提高了流量測量的精度；本發(fā)明測量方法中所述的多普勒測量方法僅對流體流經(jīng)管道中心的中心流速進行測量，無需測量整個管道橫截面的流速分布，提高了多普勒法的測量精度；本發(fā)明測量方法可以無間斷應(yīng)用于潔凈單相流體和多雜質(zhì)流體，解決了單獨使用延時法或多普勒法不能適用所有工況的技術(shù)難題，雙模式無間斷自動診斷技術(shù)擴大了測量方法的測量范圍。本發(fā)明的另一個有益效果是本發(fā)明流量計通過結(jié)合多普勒法和延時法，解算出流體流速分布的曲面特征參數(shù)，減小了流量受流速分布的影響，提高了流量測量的精度；本發(fā)明流量計采用雙道設(shè)計，利用差分法減小了測量精度受流體外界狀態(tài)的影響；本發(fā)明流量計傳感器單元的延時法超聲波換能器和多普勒法超聲波換能器處于不同軸線上，兩種測量方法可單獨工作互不干擾；本發(fā)明流量計可以無間斷應(yīng)用于潔凈單相流體和多雜質(zhì)流體，解決了單獨使用延時法或多普勒法不能適用所有工況的技術(shù)難題，雙模式無間斷自動診斷技術(shù)擴大了裝置的的測量范圍。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步說明
圖1是本發(fā)明測量方法的流程圖2是本發(fā)明測量方法步驟3的具體實施例子流程圖
圖3是本發(fā)明測量方法Z型安裝模式示意圖4是本發(fā)明測量方法V型安裝模式示意圖。
附圖標記
31Ζ型安裝模式延時法第1聲道
32Ζ型安裝模式延時法第2聲道
33Ζ型安裝模式多普勒法第1聲道
34Ζ型安裝模式多普勒法第2聲道
35傳感器單元
36延時法超聲波換能器
37多普勒法超聲波換能器
41V型安裝模式延時法第1聲道
42V型安裝模式延時法第2聲道
43V型安裝模式多普勒法第1聲道
44V型安裝模式多普勒法第2聲道。
具體實施例方式本發(fā)明一種雙道混合型超聲波流量測量方法的主要難點是需要動態(tài)地計算流體的流速分布。流速分布與流體雷諾數(shù)Re有關(guān)。Re與流體的流速和管徑成正比，與流體的粘度成反比，見表達式1:Re = ---(1)
μ
其中ρ為流體密度，V為流體平均流速，D為流體流經(jīng)管道的直徑，μ為流體粘度。當雷諾系數(shù)Re小于1000時一般流體為層流，而雷諾系數(shù)Re大于5000時一般為紊流，當雷諾系數(shù)Re處于1000 5000的區(qū)間內(nèi)時，流體為中間過渡狀態(tài)。流體為層流時流速分布的公式見表達式2
權(quán)利要求
1.一種雙道混合型超聲波流量測量方法，其特征在于包括以下步驟51.采用雙道多普勒法測得流經(jīng)管道中心流體的中心流速Vc；52.采用雙道延時法測得經(jīng)過管道中心的聲道的流體線平均流速Vxc；53.基于測量所得的中心流速Vc、線平均流速Vxc，計算出待測流體的流速分布，從而得到平均流速Vavg ；54.根據(jù)平均流速Vavg計算得到待測流體流量并輸出待測流體的流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙道混合型超聲波流量測量方法，其特征在于所述步驟Sl中，多普勒法采用雙道連續(xù)波，發(fā)出的聲波經(jīng)管道中心區(qū)域的雜質(zhì)或氣泡反射后被接收傳感器接收，測得管道中心區(qū)域的中心流速Vc。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙道混合型超聲波流量測量方法，其特征在于多普勒法和延時法各自采用兩個測量聲道，每一個聲道可以獨立完成流量測量，每一種方法的流量結(jié)果由兩個聲道的測量結(jié)果經(jīng)過對比、加權(quán)平均計算得出。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙道混合型超聲波流量測量方法，其特征在于所述步驟S3包括以下步驟由中心流速Vc和線平均流速Vxc估算待測流體的雷諾系數(shù)Re ； 將待測流體的雷諾系數(shù)Re與設(shè)定范圍值比較； 根據(jù)上述的比較結(jié)果，確定待測流體的流體狀態(tài)，所述流體狀態(tài)包括 當流體的雷諾系數(shù)Re大于設(shè)定范圍上限值時，流體處于紊流狀態(tài)； 當流體的雷諾系數(shù)Re小于設(shè)定范圍下限值時，流體處于層流狀態(tài)； 當流體的雷諾系數(shù)Re處于設(shè)定范圍值區(qū)間內(nèi)時，流體處于中間過渡狀態(tài)； 根據(jù)待測流體所處的流體狀態(tài)，選擇相應(yīng)的測量模式，計算待測流體的平均流速Vavg， 所述測量模式包括當待測流體處于層流狀態(tài)時，根據(jù)vavg=iv。和vavg=|vxc的加權(quán)平均計算平均流速 Vavg ；當待測流體處于紊流狀態(tài)時，由已獲得的Vc和Vxc根據(jù)紊流流速分布公式V (r) = + 計算出其中的曲面特征參數(shù)N，然后計算出平均流速Vavg，其中Vc為中 R心流速，V(r)為距離管道中心點距離為r的流體流速，r為距離管道中心點的距離，R為管道的直徑，N為曲面特征參數(shù)；當待測流體處于中間過渡狀態(tài)時，先分別根據(jù)層流狀態(tài)、紊流狀態(tài)的計算方法計算出平均流速Vavg，然后對兩種方法得到的平均流速Vavg進行加權(quán)平均，所得最終結(jié)果作為中間過渡狀態(tài)時的平均流速Vavg。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種雙道混合型超聲波流量測量方法，其特征在于所述步驟S3還包括對延時法和多普勒法的測量信號進行智能判斷當延時法與多普勒法測量信號均可接受時，根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法得到流量結(jié)果；當延時法測量信號不可接受時，延時法的測量結(jié)果加權(quán)系數(shù)為零，由多普勒法得到Re 估算值，紊流狀態(tài)和過渡狀態(tài)下由經(jīng)驗公式N= 1.66*log(Re)得到曲面特征參數(shù)N值；當多普勒法測量信號不可接受時，多普勒法的測量結(jié)果加權(quán)系數(shù)為零，由延時法得到 Re估算值，紊流狀態(tài)和過渡狀態(tài)下由經(jīng)驗公式N= 1.66*log(Re)得到曲面特征參數(shù)N值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙道混合型超聲波流量測量方法，其特征在于所述延時法和多普勒法傳感器可以采用不同頻率或編碼。
7.—種雙道混合型超聲波流量計，包括四個傳感器單元和一個電子裝置，其特征在于 四個傳感器單元位于一個通過管道軸線的平面上并固定安裝在管道外壁上，通過導(dǎo)線與電子裝置連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種雙道混合型超聲波流量計，其特征在于所述每一個傳感器單元包括一延時法超聲波換能器和多普勒法超聲波換能器，所述延時法超聲波換能器和多普勒法超聲波換能器位于不同的軸線上。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種雙道混合型超聲波流量計，其特征在于所述電子裝置包括延時法測量單元、多普勒法測量單元、測量信號判斷單元、流量計算單元和流量輸出單元，所述延時法測量單元和多普勒測量單元的測量信號輸出給測量信號判斷單元，所述測量信號經(jīng)智能判斷后輸出給流量計算單元，經(jīng)流量計算單元運算后將待測流體流量從流量輸出單元輸出顯示。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種雙道混合型超聲波流量計，其特征在于調(diào)整管道外壁上傳感器單元的位置，組成雙Z型或雙V型安裝的延時法測量裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙道混合型超聲波流量計及測量方法，所述測量方法包括步驟采用雙道多普勒法測得流經(jīng)管道中心流體的中心流速Vc；采用雙道延時法測得經(jīng)過管道中心的聲道的流體線平均流速Vxc；基于測量所得的中心流速Vc、線平均流速Vxc，計算出待測流體的流速分布，從而得到平均流速Vavg；根據(jù)平均流速Vavg計算得到待測流體流量并輸出待測流體的流量。本發(fā)明測量方法同時使用延時法和多普勒法可以動態(tài)解算流速分布系數(shù)提高測量精度；雙模式無間斷自動診斷技術(shù)擴大了測量方法的測量范圍，可以無間斷應(yīng)用于潔凈單相流體和多雜質(zhì)流體；每種模式都以雙道測量實現(xiàn)，提高了測量的可靠性和響應(yīng)速度。
文檔編號G01F1/66GK102288235SQ20111010729
公開日2011年12月21日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者劉風華, 鄭永鑫 申請人:廣州昉時工業(yè)自動控制系統(tǒng)有限公司