一種超聲波氣體流量計及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及管道內(nèi)流體的流速流量測量領(lǐng)域，具體設(shè)及一種超聲波氣體流量計及 測量方法。
【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 量在線檢測設(shè)備。目前采用的一般是傳統(tǒng)的機械式流量計，如滿街，滿輪，轉(zhuǎn)子和文丘里等 流量計。由于機械轉(zhuǎn)動部件引起容易磨損，或由于傳感器受介質(zhì)的污染乃至腐蝕，運些流量 計的性能容易變差，一般都需要定期離線維護和年檢。并且，其性能受被測流體溫度、壓力、 粘度、密度等參數(shù)的影響較大。
[0003] 管段式時差法超聲波氣體流量計是一種更先進的氣體測量設(shè)備。運種流量計的管 段上預(yù)先裝有一對或多對超聲傳感器。每對兩只傳感器沿流體流動方向上下游按一定距離 分開布置。通過測量超聲波脈沖沿順流方向和逆流方向的傳播時間差來測量流體速度。運 種技術(shù)的優(yōu)點是沒有轉(zhuǎn)動部件，無需經(jīng)常維護，其精度可W做到很高，但其成本比傳統(tǒng)的機 械式流量計要高兩個數(shù)量級，無法推廣使用。另外一個主要缺點是其超聲傳感器直接與介 質(zhì)接觸，因此無法對強腐蝕性、放射性及易燃易爆介質(zhì)進行檢測。除此而外，其安裝跟傳統(tǒng) 的流量計一樣，仍然需要把管道斷開，要求工廠停產(chǎn)，并通過嚴格的安全預(yù)防程序，代價很 大。
[0004] 近年來國際上出現(xiàn)了基于時差法的外夾式超聲波氣體流量計。運種流量計跟前面 提到的管段式超聲波氣體流量計的工作原理是一樣的，仍然通過測量超聲波脈沖沿順流方 向和逆流方向的傳播時間差來測量流體速度。但是，運種流量計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，無需破壞管道，無需停工停產(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。特別是當管內(nèi)氣體壓力不太高或管徑比較小時，運些損 失的能量殘留在管道壁里變成了強大的噪音，使得有用的信號幾乎無法被檢測到，因此，運 種技術(shù)只能用在氣壓較高的場合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種超聲波氣體流量計及測量方法，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，氣體流量計算基于互相 關(guān)原理，通過測量兩個受流體調(diào)制的超聲信號之間的相關(guān)時間延遲實現(xiàn)。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，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量方法，包括W下步驟：
[0009]在管道一側(cè)通過超聲波發(fā)生傳感器，發(fā)送一定頻率的超聲波信號到管道里的氣體 介質(zhì)中；在管道另一側(cè)通過兩個超聲波接收傳感器，接收經(jīng)過流體調(diào)制后的超聲波信號;超 聲波接收傳感器接收到流體調(diào)制后的信號，將該信號轉(zhuǎn)換成電信號送到接收器;接收器對 接收到的電信號進行放大、濾波、相關(guān)正交解調(diào);計算出解調(diào)后的兩路信號的時間差，即延 遲時間τ?2;根據(jù)公式ti2 = D/V計算出流體的速度V，式中，D為兩個超聲波接收器之間的距 離;計算流體流量。
[0010] 根據(jù)上述方案，所述相關(guān)正交解調(diào)，即對兩路調(diào)制信號之間的互相關(guān)函數(shù)計算采 用專用高速信號處理DSP忍片。
[0011] 根據(jù)上述方案，還包括對超聲波進行吸波處理，提高超聲波信號的信噪比，即在兩 個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)送的超聲波信號按一定入射角度有 效地發(fā)送進管道，或把一定角度的超聲波信號從管道有效地接收回來，所述角度為超聲波 信號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)時延算法計算解調(diào)后兩路信 號的互相關(guān)函數(shù)。
[0014] -種超聲波氣體流量計，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處理單元，所 述信號處理單元連接到流速計算單元，所述流速計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，或者整個管道測 量段固定有一個或多個聲吸收塊。
[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)明沒有機械轉(zhuǎn)動部件，不磨損，使用 壽命長;造價低，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)明測量精度高;本發(fā)明不但可W測量高壓氣體，還可W測量很低壓力的氣體，不但可W 測量大口徑管道，還可W測量小口徑管道，還可W用來測量氣體與液體或氣體與固體的兩 相流體。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明中單頻率互相關(guān)測量系統(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。
[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。
[0024] 圖5是本發(fā)明中對兩個超聲波接收傳感器接收到的信號進行解調(diào)后的信號。
[0025]圖6是本發(fā)明中互相關(guān)測量系統(tǒng)的信號解析結(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)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的說明。
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括一個超聲波信號發(fā)射換能器Ts(超聲波發(fā)生傳感器）， 兩個或多個超聲波信號接收傳感器(Τη，Τη，···，?Υη)(超聲波接收傳感器），信號處理模塊 Ρ1和流速計算顯示單元U1。信號發(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)流動的待測流速介質(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 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)的測量對象為管道中流體速度，系統(tǒng)由信號發(fā)射和采集傳感器、信號 處理單元W及流速計算顯示單元組成。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，相鄰反射點距離為Li。在橫波傳播的每個管道壁與管道內(nèi)部流體交 界的反射點，管道壁內(nèi)部傳播的橫波都有部分通過交界面透射進入管道內(nèi)部流體，在每個 交界點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折射定律計算。折射入管道內(nèi)部的超聲波通過流體傳播，由于流體介質(zhì)密 度不均勻、內(nèi)部的懸浮顆粒W及流體流動產(chǎn)生的素流縱滿，當超聲波經(jīng)過流體后，會產(chǎn)生波 動信號在時間相位和能量上的變化，運些改變體現(xiàn)為超聲信號的相位和幅度調(diào)制，在信號 處理中定義為被測流體的特征信號。
[0033] 在管道的另一側(cè)與發(fā)射換能器相對，W間隔D的距離安裝超聲波接收傳感器，用W 接收穿過流體和經(jīng)過管道壁的超聲波信號。超聲波接收傳感器至少要兩個，如圖1所示的 Tri和Τη, W便接收至少兩個聲道的信號。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是兩個相鄰反射點或聲束之間的距離，Li由管道壁厚度W及化來計算確定。
[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)換成電信號送入信 號處理單元，在該單元對信號進行放大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，流速計算顯示單元通過計算兩個通道接收調(diào)制信號的互相關(guān)函數(shù)，計算流體流速。
[0035] 圖1的發(fā)射和接收換能器聲模I經(jīng)過特別設(shè)計，包括設(shè)計聲模材質(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)送進管道，或把一定角度的超聲波 能量從管道有效地接收回來。
[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，超聲波信號折射 進入管道壁，在管道壁內(nèi)w橫波形式多次反射沿折線傳播。部分發(fā)射信號能量將沿管道壁 傳入超聲波接收傳感器，對接收的調(diào)制信號造成干擾。工業(yè)環(huán)境中，管道本身就可能十分增 雜，給接收傳感器帶來機械噪音。此外，氣體或蒸汽密度非常低，管道內(nèi)部透射到接收傳感 器的信號極小，因此，管道壁傳導(dǎo)的信號強度遠高于管道內(nèi)部低密度流體透射到接收傳感 器的信號。為了降低干擾信號，本發(fā)明包括了一個或幾個聲吸收塊，通過外綁的方式安裝在 接收傳感器之間附近的上下游（圖1中的Sa)。為達到最佳吸聲效果，用多個聲吸收塊來包住 發(fā)送及接收傳感器附近上下游部分的整個管段。
[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)過流體調(diào)制的超聲波信 號，如圖中的ri(t)及n(t)所示，其中ri(t)是第一個接收傳感器(上游傳感器)接收到的信 號