一種插入式超聲波氣體流量計的製作方法
2024-01-29 01:02:15
專利名稱：一種插入式超聲波氣體流量計的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於氣體流量測量技術領域，具體涉及一種插入式超聲波氣體流量計。
背景技術：
常用的超聲波流量計根據由超聲波換能器組成的測量結構的不同可分為外貼式超聲波流量計、管段式超聲波流量計及插入式超聲波流量計，其中，外貼式超聲波流量計安裝超聲波換能器無需管道斷流，但是對於管道材質要求較高，如果管道鏽蝕嚴重或襯裡或管道內有間隙等問題時，外貼式超聲波流量計是無法正常測量的。管段式超聲波流量計是將超聲波換能器與氣體管路組成一體，但需要切開管段安裝換能器，無法實現不斷流安裝測量，而插入式超聲波流量計則可以直接插入待測氣體管路中，實現對流體流量的直接測量。在授權公告號為CN20204892U的中國實用新型專利說明書中公開了一種插入式超聲波氣體流量計機構，其同樣是根據時差法超聲波測量原理工作的，這種氣體流量計包括用於插入氣體管路中的換能器固定架，在換能器固定架上設有兩相對布置的超聲波換能器，兩個超聲波換能器呈收發一體結構，且交替地對應作為發射和接收元件，兩個超聲波換能器組成用於在氣體管路中測量超聲波在待測氣體中順流傳播時的順流時間和逆流傳播時的逆流時間的超聲波換能器組。上述的氣體流量計中的超聲波換能器組沿氣體管路的軸向布置，而在實際測量時，氣體流量計還可以呈與氣體管路軸向傾斜相交的對射結構或呈V型反射結構沿氣體管路軸向布置。但是不論採用那種布置形式，最終都需要確定超聲波在流體介質中的傳播速度Cf。而超聲波在流體介質中的傳播速度Cf超聲波速度受到各種環境因素的影響，包括待測氣體組分、溫度、壓力等，在常見的環境因素中，溫度對超聲波速度的影響是最嚴重的，而壓力對超聲波速度也有比較重要的影響。所以必須進行各種補償計算才能得出計算出超聲波在流體介質中的傳播速度Cf，比如，在空氣中，溫度對超聲波聲速的影響可按照公式Cair = 331. 45+0. 61t (t攝氏溫度)計算,而壓力對聲速的影響可根據公式v = -Jkp / /7 (v
是聲波在待測氣體中的速度，k是待測氣體絕熱係數，P是待測氣體壓強，P是待測氣體密度)來衡量。而待測氣體組分對超聲波在流體介質中的傳播速度Cf的影響目前僅僅通過超聲波流量裝置自身還無法實現，只能通過現場標定來解決，而氣體管路中的待測氣體組分是變化的，這樣對超聲波氣體流量計實現準確測量帶來了很大的難度。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種插入式超聲波氣體流量計，以解決現有技術中的插入式氣體流量計測量時仍然需要針對各種環境因素進行補償計算才能得出真實的超聲波在待測氣體中的傳播速度Cf而影響測量精度的技術問題。為實現上述目的，本實用新型所提供的插入式超聲波氣體流量計的技術方案是插入式超聲波氣體流量計，包括使用時插入待測氣體管路中的換能器固定架，在換能器固定架上固設有用於測量超聲波在待測氣體中順流傳播時的順流時間和逆流傳播時的逆流時間的超聲波換能器組，所述的氣體流量計還包括使用時布置在待測氣體管路的與所述超聲波換能器組相對應的管段處、且與該管段相連通並供該管段中的待測氣體自由擴散的靜速容器，在靜速容器上布置用於在靜速管中測量超聲波傳播速度的超聲波換能器。所述的靜速容器為使用時插入氣體管路中的靜速管，該靜速管具有直管段，所述靜速容器上的超聲波換能器布置在所述直管段上，所述靜速管上還具有使用時朝向氣體管路中待測氣體流動的下遊方向的管壁，管壁上開設有供待測氣體自由擴散至靜速管中的擴散口。所述的靜速管的直管段沿豎直方向延伸，靜速管還具有與固連在所述直管段下端並與該直管段形成彎折布局的彎折管段，所述換能器固定架固連在所述靜速管的彎折管段上。所述的靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個，所述靜速管上的兩個超聲波換能器中的其中一個為發射元件、另一個為接收元件。所述的靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個，所述靜速管上的兩個超聲波換能器呈收發一體結構、且相互交替地對應作為發射和接收元件。所述的靜速管上的超聲波換能器呈收發一體結構，所述靜速管上的呈收發一體結構的超聲波換能器布置在靜速管的直管段的軸向一端，在靜速管的直管段的軸向另一端布置有用於反射從超聲波換能器中發射的超聲波的反射部。本實用新型的有益效果是本實用新型所提供的插入式超聲波氣體流量計使用時插入待測氣體的氣體管路中，由布置在換能器固定架上的超聲波換能器組測出超聲波順流傳播時的順流時間和逆流時間，並在靜速容器中測量計算得到超聲波在靜速容器的待測氣體中的傳播速度，然後將順流時間、逆流時間及超聲波傳播速度帶入相應的時差法超聲波測量計算方程式中計算得到待測氣體的流速，進而得到待測氣體流量。本實用新型所提供的氣體流量計包括靜速容器，測量時，氣體管路中的待測氣體自由擴散到靜速容器中，靜速容器所處的環境因素如氣體組分、溫度、壓力等因素與待測氣體的環境因素一致，在靜速容器中所測量計算得的超聲波傳播速度即為超聲波在氣體管路的待測氣體中的傳播速度，這樣通過在靜速容器直接測量超聲波在待測氣體中的傳播速度來消除氣體組分、溫度、壓力等因素的影響，實現自補償功能，省去現有技術中需要考慮到各種環境因素而做的各種補償計算。本實用新型所提供的氣體流量計實現對超聲波傳播速度的在線檢測，保證靜速容器中的氣體和氣體管路中的待測氣體始終處於同一狀態下，提高了測量的準確度，便於應用在各種環境下的氣體流量的測量。
圖I是本實用新型所提供的的插入式超聲波氣體流量計一種實施例的使用狀態示意圖(圖中箭頭所示為氣體管路中的待測氣體流向)。
具體實施方式
插入式超聲波氣體流量計的實施例，其結構如圖I中所示，包括使用時固定安裝在氣體管路2上的固定座I和使用時插入待測氣體管路中的換能器固定架8，在換能器固定架8上固設有用於測量超聲波在待測氣體中順流傳播時的順流時間和逆流傳播時的逆流時間的超聲波換能器組，此處的超聲波換能器組包括兩個收發一體、且交替地對應作為發射和接收元件的超聲波換能器5，這兩個超聲波換能器沿氣體管路的軸向布置，且兩超聲波換能器呈與氣體管路軸向傾斜相交的對射結構，與現有技術中的插入式超聲波氣體流量計的不同之處主要在於該超聲波氣體流量計在固定座I上固連有使用時插入氣體管路2的與所述換能器固定架上的超聲波換能器組相對應的管段處、且與該管段相連通並供該管段中的待測氣體自由擴散的靜速容器，該靜速容器為靜速管6，在靜速管6上具有使用時朝向氣體管路中待測氣體流動的下遊方向的管壁，管壁上開設有供待測氣體自由擴散至靜速管中的擴散口 3。所述靜速管6具有沿直線延伸的直管段61，此處的直管段沿豎直方向延伸，在靜速管的直管段61上布置有靜速管中發射並接收超聲波以用於測量超聲波傳播速度的超聲波換能器4，此處的靜速管中的超聲波換能器4在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個，所述靜速管上的兩個超聲波換能器中的其中一個為發射元件、另一個為接收元件。另外，靜速管6包括沿豎直方向延伸的直管段61和固連在直管段下端並與直管段形成彎折布局的彎折管段62，為方便在使用時將氣體流量計插入氣體管路中，所述換能器固定架8固連在所述靜速管的彎折管段62的下部。上述實施例所提供的插入式氣體流量計在使用時，在待測氣體流過氣體管路2時，由插入氣體管路2的對應管段中的換能器固定架8上的超聲波換能器組測量出超聲波在管段中順流傳播時的順流時間^及逆流傳播時的逆流時間t2 ;待測氣體在流過氣體管路2的布置有超聲波換能器組的管段時自由擴散到靜速管6中，靜速管6的直管段61上布置的向靜速管中發射並接收超聲波的超聲波換能器4工作，根據靜速管上超聲波換能器的布局獲得超聲波在靜速管中傳播的聲程，由靜速管中的超聲波換能器發射並接收超聲波以獲得超聲波在聲程中的實際傳播時間，由聲程除以超聲波在靜速管中的實際傳播時間即可得到超聲波傳播速度Cf，然後將所測得的t2、Cf代入下述方程中以求得待測流體在氣體管路中的流速V，進而得到待測流體的流量，
K4— S S
c/'v L/+v(I)Δ t=t2-t!(2)V' =vf ( θ ) (3)其中，S為超聲波在氣體管路中傳播的聲程，V'則是待測氣體的流速V在超聲波傳播方向上的分速度，f ( Θ )為三角函數，S和f ( Θ )均根據氣體管路中超聲波換能器組的布局而獲得。上述實施例中，擴散口開設在靜速管的使用時朝向氣體管路中待測氣體流動的下遊方向的管壁上，這樣可以有效保證待測氣體是自由擴散到靜速管中，進而提高測量精度。上述實施例中，靜速容器為便於插入氣體管路中的靜速管結構，在其他實施例中，靜速容器也可以呈箱形等結構。靜速容器還可以不插入氣體管路中，將靜速容器設置在氣體管路外，然後通過擴散管將靜速容器與氣體管路的與換能器固定架上的超聲波換能器組對應的管段相連通的擴散管固連在氣體管路上，氣體管路的對應管段中的待測氣體通過擴散管自由擴散到靜速容器中，此時，可以在位於氣體管路外的靜速容器中進行超聲波的傳播速度的測量計算，不影響測量結果。上述實施例中，靜速管的直管段沿豎直方向延伸，這樣便於將靜速管插入氣體管路中，在其他實施例中，也可以使靜速管的直管段沿氣體管路的軸向延伸。上述實施例中，換能器固定架上的兩個超聲波換能器與氣體管路軸向傾斜相交的對射結構的布置形式，在其他實施例中，也可以採用現有技術中的呈呈45° V型反射結構布置，不會影響測量結果，不過此時，需要在換能器固定架上預先設置有用於反射從超聲波換能器中發射出的超聲波的反射部，這樣可以預先計算出超聲波在氣體管路中的聲程。或者也可以採用現有技術中的呈X型雙聲道布置的四個超聲波換能器的布置形式。換能器固定架上的四個呈X型布置的超聲波換能器均為收發一體結構，因為四個超聲波換能器組成兩個測量聲道，這樣對於每一個聲道來講，只要有一個發射元件和一個接收元件即可，當然，四個超聲波換能器也可以單獨為發射元件或接收元件，只要不影響測量超聲波在氣體管路待測氣體中傳播時的順流時間和逆流時間即可。在其他實施例中，還可以在換能器固定架上於兩個呈V型布置的超聲波換能器的正對側正中位置處即超聲波反射位置處布置有作為接收元件的超聲波傳感器，這種在換能器固定架上布置三個超聲波換能器的形式可以消除整個超聲波檢測裝置因自身裝置所帶來的時間延遲，可以最大程度的提高順流時間和逆流時間的測量精度。上述實施例中，靜速管上的超聲波換能器的布置方式還可以為所述靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個，所述靜速管的直管段上的兩個超聲波換能器呈收發一體結構、且相互交替地對應作為發射和接收元件。或者採用如下布置方式所述靜速管上的超聲波換能器呈收發一體結構，所述靜速管上的呈收發一體結構的超聲波換能器布置在靜速管的直管段的軸向一端，在靜速管的直管段的軸向另一端布置有用於反射從超聲波換能器中發射的超聲波的反射部。在上述列舉的布置方式中，靜速管上的超聲波換能器均採用對射結構，在其他實施例中，靜速管上的超聲波換能器還可以採用V型反射結構布局或其他布局，只要可以測量出超聲波在靜速管中的聲程及傳播時間即可。本實用新型所提供的插入式超聲波氣體流量計實現了超聲波在被測氣體中傳播時的直接測量，通過靜速管保證了所測量的聲速的準確性，整個裝置簡單可靠。
權利要求1.一種插入式超聲波氣體流量計，包括使用時插入待測氣體管路中的換能器固定架(8)，在換能器固定架上固設有用於測量超聲波在待測氣體中順流傳播時的順流時間和逆流傳播時的逆流時間的超聲波換能器組，其特徵在於所述的氣體流量計還包括使用時布置在待測氣體管路的與所述超聲波換能器組相對應的管段處、且與該管段相連通並供該管段中的待測氣體自由擴散的靜速容器，在靜速容器上布置用於在靜速管中測量超聲波傳播速度的超聲波換能器(4)。
2.根據權利要求I所述的插入式超聲波氣體流量計，其特徵在於所述的靜速容器為使用時插入氣體管路中的靜速管，該靜速管具有直管段，所述靜速容器上的超聲波換能器布置在所述直管段上，所述靜速管上還具有使用時朝向氣體管路中待測氣體流動的下遊方向的管壁，管壁上開設有供待測氣體自由擴散至靜速管中的擴散口。
3.根據權利要求2所述的插入式超聲波氣體流量計，其特徵在於所述的靜速管的直管段沿豎直方向延伸，靜速管還具有與固連在所述直管段下端並與該直管段形成彎折布局的彎折管段，所述換能器固定架固連在所述靜速管的彎折管段上。
4.根據權利要求2或3所述的插入式超聲波氣體流量計，其特徵在於所述的靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個，所述靜速管上的兩個超聲波換能器中的其中一個為發射元件、另一個為接收元件。
5.根據權利要求2或3所述的插入式超聲波氣體流量計，其特徵在於所述的靜速管上的超聲波換能器在靜速管的直管段的軸向兩端布置有兩個，所述靜速管上的兩個超聲波換能器呈收發一體結構、且相互交替地對應作為發射和接收元件。
6.根據權利要求2或3所述的插入式超聲波氣體流量計，其特徵在於所述的靜速管上的超聲波換能器呈收發一體結構，所述靜速管上的呈收發一體結構的超聲波換能器布置在靜速管的直管段的軸向一端，在靜速管的直管段的軸向另一端布置有用於反射從超聲波換能器中發射的超聲波的反射部。
專利摘要本實用新型公開了一種插入式超聲波氣體流量計，包括使用時插入待測氣體管路中的換能器固定架，在換能器固定架上固設有用於測量超聲波在待測氣體中順流傳播時的順流時間和逆流傳播時的逆流時間的超聲波換能器組，還包括使用時布置在待測氣體管路的與所述超聲波換能器組相對應的管段處、且與該管段相連通並供該管段中的待測氣體自由擴散的靜速容器，在靜速容器上布置用於在靜速管中測量超聲波傳播速度的超聲波換能器。本實用新型所提供的氣體流量計實現對超聲波傳播速度的在線檢測，保證靜速容器中的氣體和氣體管路中的待測氣體始終處於同一狀態下，提高了測量的準確度，便於應用在各種環境下的氣體流量的測量。
文檔編號G01F15/04GK202814469SQ201220510858
公開日2013年3月20日 申請日期2012年9月29日 優先權日2012年9月29日
發明者王新亞, 李震虹, 李波, 趙彤凱, 劉東旭, 李宏剛, 羅成遠 申請人:鄭州光力科技股份有限公司