一種超聲波氣體流量計(jì)及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及管道內(nèi)流體的流速流量測(cè)量領(lǐng)域，具體設(shè)及一種超聲波氣體流量計(jì)及 測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 為提高安全性及生產(chǎn)效率，天然氣、石油、化工，及蒸氣等行業(yè)需要大量的氣體流 量在線檢測(cè)設(shè)備。目前采用的一般是傳統(tǒng)的機(jī)械式流量計(jì)，如滿街，滿輪，轉(zhuǎn)子和文丘里等 流量計(jì)。由于機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件引起容易磨損，或由于傳感器受介質(zhì)的污染乃至腐蝕，運(yùn)些流量 計(jì)的性能容易變差，一般都需要定期離線維護(hù)和年檢。并且，其性能受被測(cè)流體溫度、壓力、 粘度、密度等參數(shù)的影響較大。
[0003] 管段式時(shí)差法超聲波氣體流量計(jì)是一種更先進(jìn)的氣體測(cè)量設(shè)備。運(yùn)種流量計(jì)的管 段上預(yù)先裝有一對(duì)或多對(duì)超聲傳感器。每對(duì)兩只傳感器沿流體流動(dòng)方向上下游按一定距離 分開(kāi)布置。通過(guò)測(cè)量超聲波脈沖沿順流方向和逆流方向的傳播時(shí)間差來(lái)測(cè)量流體速度。運(yùn) 種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)部件，無(wú)需經(jīng)常維護(hù)，其精度可W做到很高，但其成本比傳統(tǒng)的機(jī) 械式流量計(jì)要高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，無(wú)法推廣使用。另外一個(gè)主要缺點(diǎn)是其超聲傳感器直接與介 質(zhì)接觸，因此無(wú)法對(duì)強(qiáng)腐蝕性、放射性及易燃易爆介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。除此而外，其安裝跟傳統(tǒng) 的流量計(jì)一樣，仍然需要把管道斷開(kāi)，要求工廠停產(chǎn)，并通過(guò)嚴(yán)格的安全預(yù)防程序，代價(jià)很 大。
[0004] 近年來(lái)國(guó)際上出現(xiàn)了基于時(shí)差法的外夾式超聲波氣體流量計(jì)。運(yùn)種流量計(jì)跟前面 提到的管段式超聲波氣體流量計(jì)的工作原理是一樣的，仍然通過(guò)測(cè)量超聲波脈沖沿順流方 向和逆流方向的傳播時(shí)間差來(lái)測(cè)量流體速度。但是，運(yùn)種流量計(jì)的傳感器不是裝在管段里 的，而是直接綁在氣體管道外面的，因此，無(wú)需破壞管道，無(wú)需停工停產(chǎn)。
[0005] 然而，由于管道壁金屬與管內(nèi)氣體的密度相差太大，超聲波穿透管道壁的能力很 差，99.9999%的能量都損失掉了。特別是當(dāng)管內(nèi)氣體壓力不太高或管徑比較小時(shí)，運(yùn)些損 失的能量殘留在管道壁里變成了強(qiáng)大的噪音，使得有用的信號(hào)幾乎無(wú)法被檢測(cè)到，因此，運(yùn) 種技術(shù)只能用在氣壓較高的場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種超聲波氣體流量計(jì)及測(cè)量方法，將超聲波 發(fā)生傳感器及超聲波接收器傳感器W外夾方式固定在氣體管道上，氣體流量計(jì)算基于互相 關(guān)原理，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)受流體調(diào)制的超聲信號(hào)之間的相關(guān)時(shí)間延遲實(shí)現(xiàn)。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[000引一種超聲波氣體流量測(cè)量方法，包括W下步驟：
[0009]在管道一側(cè)通過(guò)超聲波發(fā)生傳感器，發(fā)送一定頻率的超聲波信號(hào)到管道里的氣體 介質(zhì)中；在管道另一側(cè)通過(guò)兩個(gè)超聲波接收傳感器，接收經(jīng)過(guò)流體調(diào)制后的超聲波信號(hào);超 聲波接收傳感器接收到流體調(diào)制后的信號(hào)，將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送到接收器;接收器對(duì) 接收到的電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、相關(guān)正交解調(diào);計(jì)算出解調(diào)后的兩路信號(hào)的時(shí)間差，即延 遲時(shí)間τ?2;根據(jù)公式ti2 = D/V計(jì)算出流體的速度V，式中，D為兩個(gè)超聲波接收器之間的距 離;計(jì)算流體流量。
[0010] 根據(jù)上述方案，所述相關(guān)正交解調(diào)，即對(duì)兩路調(diào)制信號(hào)之間的互相關(guān)函數(shù)計(jì)算采 用專用高速信號(hào)處理DSP忍片。
[0011] 根據(jù)上述方案，還包括對(duì)超聲波進(jìn)行吸波處理，提高超聲波信號(hào)的信噪比，即在兩 個(gè)超聲波接收傳感器之間的管段上W及超聲波接收傳感器的上下游裹一層吸聲材料。
[0012] 根據(jù)上述方案，包括將超聲波發(fā)生傳感器所發(fā)送的超聲波信號(hào)按一定入射角度有 效地發(fā)送進(jìn)管道，或把一定角度的超聲波信號(hào)從管道有效地接收回來(lái)，所述角度為超聲波 信號(hào)入射方向與管道壁法線之間的夾角，且角度在30度到60度之間。
[0013] 根據(jù)上述方案，在所述相關(guān)正交解調(diào)中，采用互相關(guān)時(shí)延算法計(jì)算解調(diào)后兩路信 號(hào)的互相關(guān)函數(shù)。
[0014] -種超聲波氣體流量計(jì)，在管道一外側(cè)固定有超聲波發(fā)生傳感器，另一外側(cè)固定 有第一超聲波接收傳感器，在與所述第一超聲波接收傳感器相距一定距離設(shè)置有第二超聲 波接收傳感器，所述第二超聲波接收傳感器固定在管道上，與第一超聲波接收傳感器同側(cè)； 所述第一超聲波接收傳感器連接到第一前置放大單元，所述第二超聲波接收傳感器連接到 第二前置放大單元，第一前置放大單元和第二前置放大單元共同連接到信號(hào)處理單元，所 述信號(hào)處理單元連接到流速計(jì)算單元，所述流速計(jì)算單元連接到顯示單元。
[0015] 根據(jù)上述方案，所述第一超聲波接收傳感器與第二超聲波接收傳感器之間的距離 為管道直徑的1到3倍。
[0016] 根據(jù)上述方案，在所述超聲波發(fā)生傳感器和超聲波接收傳感器上還固定有聲模， 在所述聲模與管道壁觸面之間添加有禪合劑，用于將超聲波信號(hào)有效地入射到管道內(nèi)部流 體中。
[0017] 根據(jù)上述方案，在超聲波發(fā)生傳感器和超聲波接收傳感器之間，或者整個(gè)管道測(cè) 量段固定有一個(gè)或多個(gè)聲吸收塊。
[0018] 根據(jù)上述方案，所述超聲波發(fā)生傳感器和超聲波接收傳感器采用PZT壓電陶瓷材 料。
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明沒(méi)有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不磨損，使用 壽命長(zhǎng);造價(jià)低，適合推廣使用;整體裝置都是W外綁式安裝在管道外壁，使用和維修方便； 本發(fā)明測(cè)量精度高;本發(fā)明不但可W測(cè)量高壓氣體，還可W測(cè)量很低壓力的氣體，不但可W 測(cè)量大口徑管道，還可W測(cè)量小口徑管道，還可W用來(lái)測(cè)量氣體與液體或氣體與固體的兩 相流體。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明中單頻率互相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2是本發(fā)明中互相關(guān)正交解調(diào)器及信號(hào)處理單元。
[0022] 圖3是本發(fā)明中第一超聲波接收傳感器接收到的信號(hào)。
[0023] 圖4是本發(fā)明中第二超聲波接收傳感器接收到的信號(hào)。
[0024] 圖5是本發(fā)明中對(duì)兩個(gè)超聲波接收傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后的信號(hào)。
[0025]圖6是本發(fā)明中互相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)解析結(jié)果。
[00%]圖7是本發(fā)明中聲吸收塊結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖8是本發(fā)明中聲模結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖9是本發(fā)明中超聲吸聲塊對(duì)多相關(guān)峰的作用示意圖。
[0029] 圖10是本發(fā)明中雙頻率互相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括一個(gè)超聲波信號(hào)發(fā)射換能器Ts(超聲波發(fā)生傳感器）， 兩個(gè)或多個(gè)超聲波信號(hào)接收傳感器(Τη，Τη，···，?Υη)(超聲波接收傳感器），信號(hào)處理模塊 Ρ1和流速計(jì)算顯示單元U1。信號(hào)發(fā)送和采集傳感器W外綁的方式按一定距離安裝在氣體管 道外壁，管道材料可W為碳鋼、不誘鋼、PVC材料等，管道內(nèi)流動(dòng)的待測(cè)流速介質(zhì)為氣體、蒸 汽或氣液二相介質(zhì)。換能器由ΡΖΤ壓電陶瓷材質(zhì)制成。壓電陶瓷外安裝聲模I將超聲波信號(hào) 按一定的角度入射，換能器的聲模跟管道外壁接觸面用聲禪合劑，W提高聲波的禪合效率。
[0032] 本發(fā)明系統(tǒng)的測(cè)量對(duì)象為管道中流體速度，系統(tǒng)由信號(hào)發(fā)射和采集傳感器、信號(hào) 處理單元W及流速計(jì)算顯示單元組成。發(fā)射換能器Ts產(chǎn)生連續(xù)的單頻率超聲波，其頻率依 據(jù)管道的口徑、材料及氣體介質(zhì)密度而定，通常在50KHZ到2MHz之間。發(fā)射換能器安裝聲模 I，可使超聲波信號(hào)入射方向與管道壁法線夾角呈一定的入射角度化，化在30度到60度之 間。管道的管道壁厚度為P，P由管道具體尺寸確定。發(fā)射換能器Ts產(chǎn)生縱波和橫波，在管道 壁中W橫波的形式經(jīng)由管道壁與空氣交界面的多次反射，沿著管道壁并與管道壁法線呈化 角度的折線路徑傳播，相鄰反射點(diǎn)距離為L(zhǎng)i。在橫波傳播的每個(gè)管道壁與管道內(nèi)部流體交 界的反射點(diǎn)，管道壁內(nèi)部傳播的橫波都有部分通過(guò)交界面透射進(jìn)入管道內(nèi)部流體，在每個(gè) 交界點(diǎn)超聲波透射方向與管道壁法線夾角固定為化?；?、Φ3由入射角度W及交界面兩介質(zhì) 折射率根據(jù)Snell折射定律計(jì)算。折射入管道內(nèi)部的超聲波通過(guò)流體傳播，由于流體介質(zhì)密 度不均勻、內(nèi)部的懸浮顆粒W及流體流動(dòng)產(chǎn)生的素流縱滿，當(dāng)超聲波經(jīng)過(guò)流體后，會(huì)產(chǎn)生波 動(dòng)信號(hào)在時(shí)間相位和能量上的變化，運(yùn)些改變體現(xiàn)為超聲信號(hào)的相位和幅度調(diào)制，在信號(hào) 處理中定義為被測(cè)流體的特征信號(hào)。
[0033] 在管道的另一側(cè)與發(fā)射換能器相對(duì)，W間隔D的距離安裝超聲波接收傳感器，用W 接收穿過(guò)流體和經(jīng)過(guò)管道壁的超聲波信號(hào)。超聲波接收傳感器至少要兩個(gè)，如圖1所示的 Tri和Τη, W便接收至少兩個(gè)聲道的信號(hào)。接收傳感器沿管線的安裝距離D等于Li的整數(shù)倍， 其中Li是兩個(gè)相鄰反射點(diǎn)或聲束之間的距離，Li由管道壁厚度W及化來(lái)計(jì)算確定。
[0034] 接收傳感器化1和化2采集帶有流體特征信息的超聲波，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入信 號(hào)處理單元，在該單元對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大W及濾波處理，再做相關(guān)正交解調(diào)，W提取流體的調(diào) 制信號(hào)，流速計(jì)算顯示單元通過(guò)計(jì)算兩個(gè)通道接收調(diào)制信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，計(jì)算流體流速。
[0035] 圖1的發(fā)射和接收換能器聲模I經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)聲模材質(zhì)W及入射角度， 相應(yīng)地改變反射角恥W及折射角化，并在聲模與管道壁接觸面添加禪合劑，使信號(hào)能夠更有 效地入射到管道內(nèi)部流體中，按一定入射角度有效地發(fā)送進(jìn)管道，或把一定角度的超聲波 能量從管道有效地接收回來(lái)。
[0036] 如圖1所示，超聲波發(fā)射換能器W-定角度外綁安裝在管道壁外，超聲波信號(hào)折射 進(jìn)入管道壁，在管道壁內(nèi)w橫波形式多次反射沿折線傳播。部分發(fā)射信號(hào)能量將沿管道壁 傳入超聲波接收傳感器，對(duì)接收的調(diào)制信號(hào)造成干擾。工業(yè)環(huán)境中，管道本身就可能十分增 雜，給接收傳感器帶來(lái)機(jī)械噪音。此外，氣體或蒸汽密度非常低，管道內(nèi)部透射到接收傳感 器的信號(hào)極小，因此，管道壁傳導(dǎo)的信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)高于管道內(nèi)部低密度流體透射到接收傳感 器的信號(hào)。為了降低干擾信號(hào)，本發(fā)明包括了一個(gè)或幾個(gè)聲吸收塊，通過(guò)外綁的方式安裝在 接收傳感器之間附近的上下游（圖1中的Sa)。為達(dá)到最佳吸聲效果，用多個(gè)聲吸收塊來(lái)包住 發(fā)送及接收傳感器附近上下游部分的整個(gè)管段。
[0037]如圖2所示，超聲波接收傳感器Tri和Tr2分別采集兩路經(jīng)過(guò)流體調(diào)制的超聲波信 號(hào)，如圖中的ri(t)及n(t)所示，其中ri(t)是第一個(gè)接收傳感器(上游傳感器)接收到的信 號(hào)