本發(fā)明實(shí)施例涉及測量技術(shù)，尤其涉及一種超聲流量計。

背景技術(shù)：

超聲波在氣體和流體的流速測量方面具有廣泛的應(yīng)用，和傳統(tǒng)的機(jī)械式流量儀表、電磁式流量儀表相比，超聲波流量計具有計量精度高、對管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、非接觸流體、使用方便、易于數(shù)字化管理等優(yōu)點(diǎn)。

目前市面上主要是計量低流速的超聲流量計，即流速在60m/s以下的超聲流量計，這導(dǎo)致在火炬氣、高壓縮氣管線場合下由于氣體流速過高(通常達(dá)到100m/s以上)而很難使用超聲流量計；傳統(tǒng)的高速氣體計量儀表因存在壓力損失、具有可動部件等劣勢，使得計量的精度較低，其應(yīng)用也極大的受到了限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種超聲高壓流量計，以提高超聲流量計的計量量程，能夠較好的解決高速流量的精確計量且又同時能滿足低速流量的精確計量。

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種超聲流量計，包括：測量管；位于所述測量管的管壁上的一個超聲發(fā)射換能器，用于發(fā)射超聲信號；位于所述測量管的管壁上的至少兩個超聲接收換能器，用于接收所述超聲發(fā)射換能器發(fā)射的超聲信號。

進(jìn)一步地，所述超聲發(fā)射換能器和所述超聲接收換能器相對設(shè)置，且分別位于所述測量管的中心軸兩側(cè)的側(cè)壁上。

進(jìn)一步地，所述超聲發(fā)射換能器和所述超聲接收換能器位于所述測量管的中心軸同一側(cè)的側(cè)壁上。

進(jìn)一步地，沿所述測量管中的介質(zhì)流向方向，所述超聲接收換能器位于所述超聲發(fā)射換能器的下游。

進(jìn)一步地，所述超聲流量計還包括：處理裝置；所述處理裝置與所述超聲發(fā)射換能器以及所述至少兩個超聲接收換能器連接，并根據(jù)如下公式計算所述測量管中的介質(zhì)的流速：

其中，v為所述測量管中的介質(zhì)的流速，l2為所述超聲發(fā)射換能器與第一超聲接收換能器之間的超聲信號傳輸路徑長度，t2為超聲信號從所述超聲發(fā)射換能器傳播到所述第一超聲接收換能器的時間，l3為所述超聲發(fā)射換能器與第二超聲接收換能器之間的超聲信號傳輸路徑長度，t3為超聲信號從所述超聲發(fā)射換能器傳播到所述第二超聲接收換能器的時間，a為所述超聲發(fā)射換能器與第一超聲接收換能器之間的超聲信號傳輸方向與所述測量管中的介質(zhì)流向方向的夾角，b為所述超聲發(fā)射換能器與第二超聲接收換能器之間的超聲信號傳輸方向與所述測量管中的介質(zhì)流向方向的夾角；所述第一超聲接收換能器以及所述第二超聲接收換能器為位于所述測量管的管壁上的任意兩個所述超聲接收換能器。

進(jìn)一步地，所述超聲發(fā)射換能器發(fā)射的超聲信號經(jīng)所述測量管的第一內(nèi)壁反射點(diǎn)反射后被第一超聲接收換能器接收；所述超聲發(fā)射換能器發(fā)射的超聲信號經(jīng)所述測量管的第二內(nèi)壁反射點(diǎn)反射后被第二超聲接收換能器接收；所述第一超聲接收換能器以及所述第二超聲接收換能器為位于所述測量管的管壁上的任意兩個所述超聲接收換能器；

還包括：處理裝置；

所述處理裝置與所述超聲發(fā)射換能器以及所述至少兩個超聲接收換能器連接，并根據(jù)如下公式計算所述測量管中的介質(zhì)的流速：

其中，v為所述測量管中的介質(zhì)的流速，l2為所述超聲發(fā)射換能器與第一超聲接收換能器之間的超聲信號傳輸路徑長度，t2為超聲信號從所述超聲發(fā)射換能器傳播到所述第一超聲接收換能器的時間，l3為所述超聲發(fā)射換能器與第二超聲接收換能器之間的超聲信號傳輸路徑長度，t3為超聲信號從所述超聲發(fā)射換能器傳播到所述第二超聲接收換能器的時間，a為所述超聲發(fā)射換能器與所述第一內(nèi)壁反射點(diǎn)之間的超聲信號傳輸方向與所述測量管中的介質(zhì)流向方向的夾角，b為所述超聲發(fā)射換能器與所述第二內(nèi)壁反射點(diǎn)之間的超聲信號傳輸方向與所述測量管中的介質(zhì)流向方向的夾角。

進(jìn)一步地，所述超聲發(fā)射換能器和所述超聲接收換能器設(shè)置在所述流量管的內(nèi)壁或外壁。

進(jìn)一步地，所述測量管的形狀包括圓柱形管或方形管。

進(jìn)一步地，沿所述測量管中的介質(zhì)流向方向，前兩個所述超聲接收換能器為所述第一超聲接收換能器以及所述第二超聲接收換能器。

進(jìn)一步地，沿所述測量管中的介質(zhì)流向方向，最后兩個所述超聲接收換能器為所述第一超聲接收換能器以及所述第二超聲接收換能器。

本發(fā)明提供的超聲流量計包括一超聲發(fā)射換能器以及至少兩個超聲接收換能器，超聲發(fā)射換能器僅用作發(fā)送超聲信號，超聲接收換能器僅用作接收超聲信號，相比于現(xiàn)有技術(shù)中超聲換能器同時承擔(dān)超聲信號的發(fā)射和接收功能，本發(fā)明提供的超聲流量計電路處理更加靈活，控制更為簡單。此外，由于本發(fā)明設(shè)置至少兩個超聲接收換能器接收同一超聲發(fā)射換能器發(fā)射的超聲信號來計算流經(jīng)測量管中的介質(zhì)的流速，可以很大程度上避免了時間間隔較大帶來的流態(tài)變化，使信號檢測更為準(zhǔn)確。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種超聲流量計。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的另一種超聲流量計。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。可以理解的是，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種超聲流量計，如圖1所示的超聲流量計，包括：測量管5；位于測量管5的管壁上的一個超聲發(fā)射換能器1，用于發(fā)射超聲信號；位于測量管5的管壁上的至少兩個超聲接收換能器，用于接收超聲發(fā)射換能器1發(fā)射的超聲信號。需要說明的是，對于超聲接收換能器的個數(shù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行設(shè)置，此處以三個超聲接收換能器為例，如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例在測量管5的管壁上設(shè)置了超聲接收換能器2、超聲接收換能器3及超聲接收換能器4。

具體的，當(dāng)超聲發(fā)射換能器1發(fā)射超聲信號時，超聲接收換能器2、超聲接收換能器3及超聲接收換能器4均可接受到超聲發(fā)射換能器1發(fā)射的超聲信號。本發(fā)明實(shí)施例中超聲發(fā)射換能器1僅用來發(fā)射超聲信號，超聲接收換能器2、3和4僅用來接收超聲信號，與現(xiàn)有技術(shù)中相互收發(fā)的換能器對相比，一方面，換能器的選擇有了更大的靈活性，電路處理也得到了很大的簡化；另一方面，由于相互收發(fā)的換能器對超聲信號傳輸過程為：第一個換能器發(fā)射超聲信號，第二個換能器接收第一個換能器發(fā)射的超聲信號之后再將其接收到的超聲信號發(fā)射給第一個超聲換能器，整個過程分為第一個換能器發(fā)射信號給第二個換能器，第二個換能器發(fā)射信號給第一個換能器兩個時間段完成，由于時間間隔較大，不能保證兩個時間段內(nèi)測量管內(nèi)的介質(zhì)的流態(tài)不發(fā)生變化，容易導(dǎo)致信號幅值和特征變化劇烈等問題，影響測量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的實(shí)施例采用同一個超聲發(fā)射換能器1發(fā)射超聲信號，超聲接收換能器2、3和4接收超聲信號，由于超聲接收換能器2、3和4接收超聲信號的時間間隔較近，可以很大程度上避免了時間間隔較大帶來的流態(tài)變化，使信號檢測更為高效。

可選的，超聲發(fā)射換能器1和超聲接收換能器2、3及4相對設(shè)置，且分別位于測量管5的中心軸8兩側(cè)的側(cè)壁上。需要說明的是，對于超聲接收換能器2、3及4的位置關(guān)系此處不做具體限定，三者可以設(shè)置在同一直線上，也可以不在同一直線上。

具體的，超聲流量計還包括處理裝置(圖中未示出)；處理裝置與超聲發(fā)射換能器1以及超聲接收換能器2、3及4中的至少兩個連接。

具體的，當(dāng)超聲發(fā)射換能器1和超聲接收換能器2、3及4相對設(shè)置，且分別位于測量管5的中心軸兩側(cè)的側(cè)壁上時，如圖1所示，設(shè)測量管5內(nèi)介質(zhì)流速為v，介質(zhì)流向如箭頭7所示，聲速為c，超聲信號由超聲發(fā)射換能器1傳播到超聲接收換能器2的時間為t2，聲程12為l2，超聲接收換能器2接收的超聲信號的傳輸方向與介質(zhì)流向的夾角22為a；超聲信號由超聲發(fā)射換能器1傳播到超聲接收換能器3的時間為t3，聲程13為l3，超聲接收換能器3接收到的超聲信號的傳輸方向與介質(zhì)流向的夾角23為b；超聲信號由超聲發(fā)射換能器1傳播到接收換能器4的時間為t4，聲程14為l4，超聲接收換能器4接收到的超聲信號的傳輸方向與介質(zhì)流向的夾角24為d。根據(jù)信號實(shí)際的接收情況，選取兩組信號較大的通道作為計量，這里以超聲接收換能器2為第一超聲接收換能器，超聲接收換能器3為第二超聲接收換能器為例,說明計算測量管5中的介質(zhì)流速的過程：

超聲信號在超聲發(fā)射換能器1和第一超聲接收換能器之間傳播的速度為

v12＝c+v*cosa(1)

超聲信號由超聲發(fā)射換能器1到達(dá)第一超聲接收換能器的時間為

由公式(1)和公式(2)可得

超聲信號在超聲發(fā)射換能器1和第二超聲接收換能器之間傳播的速度為

超聲信號由超聲發(fā)射換能器1到達(dá)第二超聲接收換能器的時間為

根據(jù)公式(2)和(4)或(3)和(5)可得介質(zhì)流速為

通過上述計算過程得到介質(zhì)流速的表達(dá)式，結(jié)合測量管5的直徑6便可以得到介質(zhì)的流量。為了核實(shí)測量及計算結(jié)果的正確性，可將介質(zhì)流速的計算結(jié)果帶入公式(1)或公式(3)得到聲速表達(dá)式(7)，通過帶入具體數(shù)據(jù)的到聲速的具體數(shù)值，與聲速在對應(yīng)介質(zhì)中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比較，可以判定所計量的介質(zhì)流速的準(zhǔn)確性。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供了另一種超聲流量計，如圖2所示，超聲發(fā)射換能器1和超聲接收換能器2、3及4位于測量管5的中心軸8同一側(cè)的側(cè)壁上。這種情況下，超聲發(fā)射換能器1發(fā)射的超聲信號經(jīng)過與超聲發(fā)射換能器相對的測量管5的側(cè)壁的反射，發(fā)送至超聲接收換能器2、3及4。需要說明的是，超聲發(fā)射換能器1、超聲接收換能器2、3及4可以在同一直線上，也可以不再同一直線上。

可選的，超聲流量計還包括處理裝置(圖中未示出)；處理裝置與超聲發(fā)射換能器1以及超聲接收換能器2、3及4中的至少兩個連接。

可選的，沿測量管5中的介質(zhì)流向方向(圖2中箭頭7表示介質(zhì)流向方向)，超聲接收換能器2、3及4位于所述超聲發(fā)射換能器1的下游。超聲發(fā)射換能器1順流發(fā)射超聲信號至超聲接收換能器2、3及4，與相互收發(fā)的換能器對的先順流發(fā)射再逆流發(fā)射或先逆流發(fā)射再順流發(fā)射相比，信號的信噪比較大，且軟件處理過程也比較簡單。

具體的，當(dāng)超聲發(fā)射換能器1和超聲接收換能器2、3及4位于測量管5的中心軸8同一側(cè)的側(cè)壁上，如圖2所示，超聲信號的傳播過程分為從超聲發(fā)射換能器1到與超聲發(fā)射換能器1相對的側(cè)壁的第一傳播過程及由側(cè)壁反射至超聲接收換能器2、3及4的第二傳播過程。設(shè)測量管5內(nèi)介質(zhì)流速為v，介質(zhì)流向如箭頭7所示，聲速為c，超聲信號由超聲發(fā)射換能器1傳播到超聲接收換能器2的聲程12為l2,其為第一傳播過程的聲程l21和第二傳播過程的聲程l22之和，且l21和l22大小相等，所用時間t2為第一傳播過程所用時間t21和第二傳播過程所用時間t22之和，且t21和t22相等，第一傳播過程中超聲發(fā)射換能器1與第一內(nèi)壁反射點(diǎn)9之間的超聲信號傳輸方向與測量管中的介質(zhì)流向方向的夾角為a，第二傳播過程中第一內(nèi)壁反射點(diǎn)9與超聲接收換能器2之間的超聲信號傳輸方向與介質(zhì)流向方向的夾角為a,且a和a相等；超聲信號由超聲發(fā)射換能器1傳播到超聲接收換能器3的聲程13為l3，其為第一傳播過程的聲程l31和第二傳播過程的聲程l32之和，且l31和l32大小相等，所用時間t3為第一傳播過程所用時間t31和第二傳播過程所用時間t32之和，且t31和t32相等，第一傳播過程中超聲發(fā)射換能器1與第二內(nèi)壁反射點(diǎn)10之間的超聲信號傳輸方向與介質(zhì)流向方向的夾角為b，第二傳播過程中第二內(nèi)壁反射點(diǎn)10與超聲接收換能器3之間的超聲信號傳輸方向與介質(zhì)流向方向的夾角為b，且b和b相等；超聲信號由超聲發(fā)射換能器1傳播到超聲接收換能器4的聲程14為l4第一傳播過程的聲程l41和第二傳播過程的聲程l42之和，且l41和l42大小相等，所用時間t4為第一傳播過程所用時間t41和第二傳播過程所用時間t42之和，且t41和t42相等，第一傳播過程中超聲發(fā)射換能器1與第三內(nèi)壁反射點(diǎn)11之間的超聲信號傳輸方向與介質(zhì)流向方向的夾角為d，第二傳播過程中第三內(nèi)壁反射點(diǎn)11與超聲接收換能器4之間的超聲信號傳輸方向與介質(zhì)流向方向的夾角為d，且d和d相等。根據(jù)信號實(shí)際的接收情況，選取兩組信號較大的通道作為計量，這里以超聲接收換能器2為第一超聲接收換能器，超聲接收換能器3為第二超聲接收換能器為例，超聲發(fā)射換能器1發(fā)射的超聲信號經(jīng)測量管5的第一內(nèi)壁反射點(diǎn)9反射后被第一超聲接收換能器接收；超聲發(fā)射換能器1發(fā)射的超聲信號經(jīng)測量管5的第二內(nèi)壁反射點(diǎn)10反射后被第二超聲接收換能器接收。

超聲信號在超聲發(fā)射換能器1和第一超聲接收換能器之間傳播的速度為

v12＝c+v*cosa(8)

超聲信號由超聲發(fā)射換能器1到達(dá)第一超聲接收換能器的時間為

由公式(8)和公式(9)可得

超聲信號在超聲發(fā)射換能器1和第二超聲接收換能器之間傳播的速度為

超聲信號由超聲發(fā)射換能器1到達(dá)第二超聲接收換能器的時間為

根據(jù)公式(9)和(11)或(10)和(12)可得介質(zhì)流速為

通過上述計算過程得到介質(zhì)流速的表達(dá)式，結(jié)合測量管5的直徑6便可以得到介質(zhì)的流量。為了核實(shí)測量及計算結(jié)果的正確性，可將介質(zhì)流速的計算結(jié)果帶入公式(8)或公式(10)得到聲速表達(dá)式(14)，通過帶入具體數(shù)據(jù)的到聲速的具體數(shù)值，與聲速在對應(yīng)介質(zhì)中的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比較，可以判定所計量的介質(zhì)流速的準(zhǔn)確性。

可選的，第一超聲接收換能器以及第二超聲接收換能器為位于所述測量管的管壁上的任意兩個所述超聲接收換能器。

可選的，超聲發(fā)射換能器1和所述超聲接收換能器2、3及4設(shè)置在所述流量管的內(nèi)壁或外壁。

可選的，測量管5的形狀包括圓柱形管或方形管。

在具體測量過程中可以根據(jù)實(shí)際情況在沿介質(zhì)流向上增加超聲接收換能器的數(shù)量。當(dāng)待測介質(zhì)的流速較小時，信號傳播時間內(nèi)介質(zhì)整體偏移較小，沿測量管中的介質(zhì)流向方向，靠近上游的信號接收換能器能夠接收到較強(qiáng)的信號，具有較高的信噪比，如可選沿測量管中介質(zhì)流向方向，前兩個超聲接收換能器分別為上述計算過程中的第一超聲接收換能器以及第二超聲接收換能器。當(dāng)待測介質(zhì)的流速較大時，信號傳播時間內(nèi)介質(zhì)整體偏移較大，沿測量管中的介質(zhì)流向方向，靠近下游的信號接收換能器能夠接收到較強(qiáng)的信號，具有較高的信噪比，沿測量管中的介質(zhì)流向方向，如選最后兩個超聲接收換能器和分別為上述計算過程中的第一超聲接收換能器以及第二超聲接收換能器。

本發(fā)明實(shí)施例提供的超聲流量計，通過有一個超聲發(fā)射換能器發(fā)射超聲信號時，多個超聲接收換能器均可接受到超聲信號，超聲發(fā)射換能器僅用來發(fā)射超聲信號，超聲接收換能器僅用來接收超聲信號，對低流速和高流速介質(zhì)的流量均可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計量，提高了超聲流量計的計量量程。且與相互收發(fā)的換能器對相比，一方面，換能器的選擇有了更大的靈活性，電路處理也得到了很大的簡化；另一方面，多個超聲接收換能器接收信號的時間間隔較近，很大程度上避免了時間間隔較大帶來的流態(tài)變化，使信號檢測更為高效。

注意，上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例及所運(yùn)用技術(shù)原理。本領(lǐng)域技術(shù)人員會理解，本發(fā)明不限于這里所述的特定實(shí)施例，對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說能夠進(jìn)行各種明顯的變化、重新調(diào)整和替代而不會脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，雖然通過以上實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明，但是本發(fā)明不僅僅限于以上實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的情況下，還可以包括更多其他等效實(shí)施例，而本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求范圍決定。