流量測量裝置和流量測量方法與流程

2023-10-19 17:42:52

本發明涉及流量測量領域，具體地，涉及一種流量測量裝置和一種流量測量方法。

背景技術：

流量測量在很多具有流體管路的工業生產中具有重要作用，如化工生產、醫藥合成、化學精工、電子電路基板刻蝕等。生產設備上通常有固定的流量計，常見的種類有速度式流量計、容積式流量計、動量式流量計，這種流量測量方式，點位固定，只能安裝在關鍵管路上。超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術迅速發展才開始應用的一種非接觸式儀表，適於測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。

但是，一種型號的流量測量裝置只能對一種管徑的管路進行測量，並且也只能對已知管徑的管路進行測量。如何提高流量測量裝置的適用性成為本領域亟待解決的技術問題。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種流量測量裝置，該流量測量裝置能夠對管徑未知的管路進行測量。

為了實現上述目的，作為本發明的一個方面，提供一種流量測量裝置，所述流量測量裝置包括固定部和測量部，所述固定部用於將所述流量測量裝置固定在待測量的物體上，其中，所述測量部包括第一超聲發射器、第二超聲發射器和多個信號接收器，多個所述信號接收器間隔設置，所述第一超聲發射器、所述第二超聲發射器和多個所述信號接收器均設置在所述固定部上，使得所述第一超聲發射器和所述第二超聲發射器均能夠向所述待測量的物體發出超聲波，所述信號接收器能夠接收所述待測量的物體反射的超聲波，多個所述信號接收器包括與所述第一超聲發射器設置在相同位置處的第一信號接收器、與所述第二超聲發射器設置在相同位置處的第二信號接收器和位於所述第一信號接收器和所述第二信號接收器之間的多個第三信號接收器，所述第二超聲發射器能夠在所述第二信號接收器接收到所述待測量的物體反射的超聲波時發出超聲波。

優選地，所述流量測量裝置還包括控制模塊，所述控制模塊還能夠根據接收到所述待測量的物體反射的超聲波的第三信號接收器的位置確定所述待測量的物體的尺寸，並且，所述控制模塊能夠根據所述第一超聲發射器發出超聲波的時間、所述第一信號接收器接收到超聲波信號的時間以及所述待測量的物體的尺寸確定所述待測量的物體內的流體流量。

優選地，所述待測量的物體為管道，所述控制模塊能夠根據以下公式計算待測量的物體內的流體流量：

其中，q為流量；

a為管道橫截面積；

u為管內液體流速；

d為管道直徑；

θ為第一超聲發射器的發射方向與豎直方向之間的夾角；

c0為聲音在流體中的傳播速度；

δt為第一超聲發射器發出超聲信號與第一信號接收器接收到超聲信號之間的時間間隔。

優選地，所述第一超聲發射器的發射角度能夠調節，且所述第二超聲發射器的發射角度能夠調節，所述控制模塊能夠按照以下公式計算待測的物體的直徑：

其中，l為第一超聲發射器發出超聲信號後，第一個接收到管壁反射的超聲波的第三信號接收器與第一超聲發射器之間的距離。

優選地，多個所述第三信號接收器等間隔設置。

優選地，所述流量測量裝置包括顯示模塊，所述顯示模塊用於顯示測量結果。

優選地，所述流量測量裝置還包括存儲模塊，所述存儲模塊用於存儲測量結果。

優選地，所述固定部包括安裝板和分別設置在所述安裝板兩側的兩個夾持板，所述測量部安裝在所述安裝板上，兩個所述夾持板之間的間隔能夠調節。

優選地，所述流量測量裝置還包括電源模塊，所述電源模塊用於為所述流量裝置供電。

優選地，所述流量測量裝置還包括輸入模塊，所述輸入模塊用於輸入操作指令。

作為本發明的第二個方面，提供一種流量測量方法，其中，所述流量測量方法包括：

沿待測量物體的表面分別設置第一超聲發射器、多個信號接收器和第二超聲發射器，所述信號接收器能夠接收所述待測量的物體反射的超聲波，多個所述信號接收器包括與所述第一超聲發射器設置在相同位置處的第一信號接收器、與所述第二超聲發射器設置在相同位置處的第二信號接收器和位於所述第一信號接收器和所述第二信號接收器之間的多個第三信號接收器；

啟動第一超聲發射器向所述待測量的物體發出超聲波；

當所述第二信號接收器接收到所述待測量的物體反射的超聲波時，啟動第二超聲發射器向所述待測量的物體發出超聲波；

根據接收到所述待測量的物體反射的超聲波的第三信號接收器的位置確定所述待測量的物體的尺寸；

根據所述第一超聲發射器發出超聲波的時間、所述第一信號接收器接收到超聲波信號的時間以及所述待測量的物體的尺寸確定所述待測量的物體內的流體流量。

優選地，所述待測量的物體為管道，

根據所述第一超聲發射器發出超聲波的時間、所述第一信號接收器接收到超聲波信號的時間以及所述待測量的物體的尺寸確定所述待測量的物體內的流體流量的步驟包括根據以下公式計算所述待測量的物體內的流體流量：

其中，q為流量；

a為管道橫截面積；

u為管內液體流速；

d為管道直徑；

θ為第一超聲發射器的發射方向與豎直方向之間的夾角；

c0為聲音在流體中的傳播速度；

δt為第一超聲發射器發出超聲信號與第一信號接收器接收到超聲信號之間的時間間隔。

優選地，根據接收到所述待測量的物體反射的超聲波的第三信號接收器的位置確定所述待測量的物體的尺寸的步驟包括利用以下公式計算所述待測量物體的直徑：

其中，l為第一超聲發射器發出超聲信號後，第一個接收到管壁反射的超聲波的第三信號接收器與第一超聲發射器之間的距離。

由於測量時使用的是超聲波，因此，在對待測量的物體內的流體進行測量時，只需要將所述流量測量裝置設置在待測量的物體外部即可。因此，本發明所提供的流量測量裝置對物體內流動的流體的性質並不做特殊要求。並且，由於流量測量裝置中設置有多個第三信號接收器，因此，當待測量的物體尺寸未知時，可以根據接收到超聲波信號的第三信號接收器的位置確定物體的尺寸，使得所述流量測量裝置可以對尺寸未知的物體進行流量測量。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，並且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用於解釋本發明，但並不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是本發明所提供的流量測量裝置的工作原理示意圖；

圖2是本發明所提供的流量測量裝置的外觀結構示意圖；

圖3是本發明所提供的流量測量裝置的模塊示意圖；

圖4是本發明所提供的流量測量方法的流程示意圖。

附圖標記說明

110：固定部111：安裝板

112：夾持板121：第一超聲發射器

122：第二超聲發射器123：第三信號接收器

200、300：管路400：控制模塊

500：顯示模塊600：輸入模塊

700：時鐘模塊810：換能驅動模塊

820：檢測放大模塊910：電源模塊

920：存儲器930：存儲模塊

940：u盤

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用於說明和解釋本發明，並不用於限制本發明。

本發明提供一種流量測量裝置，如圖1所示，所述流量測量裝置包括固定部110和測量部，固定部110用於將所述流量測量裝置固定在待測量的物體(即，管路)上，其中，所述測量部包括第一超聲發射器121、第二超聲發射器122和設置在第一超聲發射器121和第二超聲發射器122之間的多個信號接收器。

第一超聲發射器121、第二超聲發射器122和多個信號接收器123均設置在固定部110上，使得第一超聲發射器121和第二超聲發射器122均能夠向所述待測量的物體發出超聲波。

所述信號接收器能夠接收所述待測量物體反射的超聲波，並且，8設置在相同位置處的第一信號接收器(未示出)、與第二超聲發射器122設置在相同位置處的第二信號接收器(未示出)和位於所述第一信號接收器和所述第二信號接收器之間的多個第三信號接收器123。

第二超聲發射器122能夠在所述第二信號接收器接收到所述待測量的物體反射的超聲波時發出超聲波。

為了便於理解，先簡要介紹利用超聲波測量流體流量的原理。

超聲波在流體中傳播時，受流體速度的影響而載有流體的流速信息，通過檢測接收到的超聲波信號可以測知流體的流速，從而求得流體的流量。超聲波測流量的方法包括傳播速度法、都卜勒法、波束偏移法、噪聲法、相關法、流速-液面法等多種方法。

當使用所述流量測量裝置檢測管路中流體的流量時，如圖1和圖2所示，利用固定部110將所述流量測量裝置固定在管路上。多個信號接收器沿管路的軸向依次排列。

在測量待測量的物體內的流體流量時，啟動第一超聲發射器121，第一超聲發射器朝向管路200內部發出超聲波，該超聲波到達管路200的管壁後被反射，並被其中一個第三信號接收器123接收，隨後被再次反射，依次類推，被多個第三信號接收器123接收。此時，分別記錄各個第三信號接收器123接收到超聲波的時間點。當第二信號接收器接收到超聲波信號時，隨後啟動第二超聲發射器122，並記錄各個第三信號接收器123接收到超聲波的時間點以及第一信號接收器接收到超聲波的時間點。

在本發明中，第一超聲發射器121和第二超聲發射器122的發射角均是容易獲得的。根據第一超聲發射器121的位置、第一超聲發射器的發射角、以及接收到的超聲波的第三信號接收器123的位置，利用三角函數即可獲得待測量物體的尺寸(至少垂直於流體流動方向的尺寸)。

確定了待測量物體的尺寸、第一超聲發射器發出超聲波的時間、第二超聲發射器發出超聲波的時間、各個信號接收器接收到超聲波的時間後，可以利用傳播速度法、都卜勒法、波束偏移法、噪聲法、相關法、流速-液面法等多種方法中的任意一種計算獲得待測量的物體內的流體流量。

由此可知，在利用所述流量測量裝置測量物體內流體的流速時，不需要事先獲知物體尺寸，通過流量測量裝置本身即可獲得物體尺寸，從而可以利用所述流量測量裝置對沒有標明尺寸的物體進行測量，擴展了所述流量測量裝置的適用範圍。

下面根據圖1中所示的具體實施方式介紹如何根據接收到超聲波信號的第三信號發射器123的位置確定物體的尺寸。具體地，在圖1中所示的物體為管道，因此，此處確定的是管道直徑。

在圖1中所示的具體實施方式中，多個第三信號發射器123分別包括設置在1#位置的第三信號接收器123、設置在2#位置的第三信號接收器123、設置在3#位置的第三信號接收器123、設置在4#位置的第三信號接收器123、設置在5#位置的第三信號接收器123，……，設置在n#位置的第三信號接收器123。

當第一超聲發射器121的發射角為θ1、位於1#位置的第三信號接收器123首先接收到第一超聲發射器121發生的超聲信號時，可以根據三角函數計算出管道直徑為d1。

當第一超聲發射器121的發射角為θ2、位於3#位置的第三信號接收器123首先接收到第一超聲發射器121發生的超聲信號時，可以根據三角函數計算出管道直徑為d2。

由此可知，由於所述流量測量裝置中設置有多個信號接收器123，因此，只要待測管路的直徑在一定的範圍內，均能夠對其進行測量。當然，所述流量測量裝置也能夠對尺寸已知的物體進行測量。

由於測量時使用的是超聲波，因此，在對待測量的物體內的流體進行測量時，只需要將所述流量測量裝置設置在待測量的物體外部即可。因此，本發明所提供的流量測量裝置對物體內流動的流體的性質並不做特殊要求。例如，可以是水、酸鹼液、有機容易等能夠傳導超聲波的液體。

在某些情況中，包括所述待測量的物體的設備中通常帶有一個流量測量裝置。隨著設備的使用，該設備自帶的流量測量裝置的精度會降低。因此，每隔一段時間，利用本發明所提供的流量測量裝置對所述設備中的所述物體內的流體流量進行測量，將該測量結果與所述設備自帶的流量測量裝置測量的結果進行一個對比，從而可以得出設備自帶的流量測量裝置是否準確，並對該自帶的流量測量裝置進行校準，從而可以減小利用自帶的流量測量裝置進行測量時產生的偏差。

容易理解的是，當所述第一信號接收器、所述第二信號接收器和所述第三信號接收器接收超聲波信號時，均將生成相應的電信號。

在本發明中，對如何計算待測量的物體內的流體流量並不做特殊的要求。例如，可以將第一信號接收器、第二信號接收器、第三信號接收器、第一超聲發射器、第二超聲發射器均與外部的計算裝置進行電連接，該計算裝置通過接收到的電信號計算待測量的物體內的流體的流量、以及計算待測量的物體的尺寸。

為了提高所述流量測量裝置的集成化程度，優選地，所述流量測量裝置還包括控制模塊，所述控制模塊還能夠根據接收到所述待測量的物體反射的超聲波的第三信號接收器的位置確定所述待測量的物體的尺寸，並且，所述控制模塊能夠根據所述第一超聲發射器發出超聲波的時間、所述第一信號接收器接收到超聲波信號的時間以及所述待測量的物體的尺寸確定所述待測量的物體內的流體流量。

在本發明中，對採用何種方法計算待測量的物體內部的流體流量並沒有特殊要求，例如，可以採用流速法計算待測量的物體內部的流體流量。具體地，當所述待測量的物體為管道時，可以按照如下公式(1)計算待測量物體內的流體流量：

其中，q為流量；

a為管道橫截面積；

u為管內液體流速；

d為管道直徑；

θ為第一超聲發射器的發射方向與豎直方向之間的夾角；

c0為聲音在流體中的傳播速度；

δt為第一超聲發射器發出超聲信號與第一信號接收器接收到超聲信號之間的時間間隔。

容易理解的是，在利用流速法測量管道內流體流量時，管壁厚度可以忽略不計。

當測量管路200內的流體流量時，θ的大小為θ1。當測量管路300內的流體流量時，θ的大小為θ2。

為了提高流量測量裝置的智能化程度和集成化程度，優選地，如圖3所示，所述流量測量裝置還包括控制模塊400，該控制模塊400用於根據公式(1)計算待測量的物體內的流體流量。

當待測量的物體為管道時，控制模塊400能夠按照以下公式(2)計算所述待測量的物體的直徑：

其中，l為第一超聲發射器發出超聲信號後，第一個接收到管壁反射的超聲波的第三信號接收器與第一超聲發射器之間的距離。

在本發明中，各個第三信號接收器123的位置都是固定的，且各個第三信號接收器123與第一超聲發射器121之間的距離也都是固定的，因此，很容易可以獲得第一超聲發射器發出超聲信號後，第一個接收到管壁反射的超聲波的第三信號接收器與第一超聲發射器之間的距離l。

將第一超聲發射器121設置為發射角度可調，可以提高所述流量測量裝置的適用範圍。

為了便於設置並便於計算第一超聲發射器發出超聲信號後，第一個接收到管壁反射的超聲波的第三信號接收器與第一超聲發射器之間的距離，優選地，多個第三信號接收器123等間隔設置。

為了便於觀察，優選地，所述流量測量裝置包括顯示模塊，所述顯示模塊用於顯示測量結果。所述測量結果可以包括以下內容：待測量的物體的直徑和/或待測量的物體內的流體的流量。

當然，顯示模塊還也可以顯示其他內容，例如，顯示第一個接收到第一超聲發射器121發出的超聲波的第三信號接收器的位置編號等信息。

為了便於對物體內流量進行觀察、檢測，優選地，所述流量測量裝置還包括存儲模塊930，該存儲模塊930用於存儲測量結果。可以將存儲模塊930中存儲的數據導出至u盤940中，以便於對數據進行共享、分析等後續處理。

優選地，所述流量測量裝置還可以包括存儲器920。該存儲器920用於存儲控制模塊400的代碼參數等數據。

在本發明中，對固定部110的具體結構並沒有特殊的限制，例如，作為本發明的一種實施方式，如圖3所示，固定部110包括安裝板111和分別設置在安裝板111兩側的兩個夾持板112，所述測量部安裝在安裝板111上，兩個夾持板112之間的間隔能夠調節。

由於兩個夾持板112之間的間隔能夠調節，因此，可以將所述流量測量裝置設置在不同管徑的管路上。

當測量管徑相對較小的管路時，可以將兩個夾持板112之間的間隔調小。當測量管徑相對較大的管路時，可以將兩個加夾持板112之間的間隔調大。

對於如何實現夾持板112之間的間隔可調並沒有特殊的限制。例如，可以在安裝板111上設置滑槽，並在至少一個夾持板112上設置滑塊，該滑塊能夠在滑槽內滑動，從而實現夾持板112位置的可調。

在本發明中，可以用外接電源對所述流量測量裝置進行測量。為了方便使用，優選地，所述流量測量裝置還包括電源模塊910，該電源模塊910用於為所述流量裝置供電。

為了便於控制，優選地，如圖2和圖3所示，所述流量測量裝置還包括輸入模塊600，該輸入模塊600用於輸入操作指令。

所述操作指令是針對控制模塊400的。例如，所述操作指令可以是「測量開始指令」、「數據輸出指令」、「數據存儲指令」、「開機指令」和「關機指令」中的至少一者。在本發明中，對輸入模塊600的具體類型沒有特殊的限定。輸入模塊600可以包括按鍵、滑鼠、觸控螢幕中的至少一者。

優選地，所述流量測量裝置還包括時鐘模塊700，該時鐘模塊700用於記錄各個所述信號接收器接收到超聲波信號的時間。該時鐘模塊700還有為控制控制模塊400產生時序。

在本發明中，對如何產生超聲波並沒有特殊的要求。作為一種實施方式，如圖3中所示，所述流量測量裝置包括產生超聲波信號的換能驅動模塊810。該換能驅動模塊810包括兩個輸出端，其中一個輸出端與第一超聲發射器121連接，另一個輸出端與第二超聲發射器122連接。

為了提高檢測精度，優選地，所述流量測量裝置還可以包括檢測放大模塊820，該檢測放大模塊820分別與各個信號接收器123的輸出端電連接，以對第三信號接收器123輸出的信號進行放大處理，從而可以更加精確地確定接收到超聲波的信號接收器的位置。

作為本發明的第二個方面，提供一種流量測量方法，其中，如圖4所示，所述流量測量方法包括：

在步驟s410中，沿待測量物體的表面分別設置第一超聲發射器、多個信號接收器和第二超聲發射器，所述信號接收器能夠接收所述待測量的物體反射的超聲波，多個所述信號接收器包括與所述第一超聲發射器設置在相同位置處的第一信號接收器、與所述第二超聲發射器設置在相同位置處的第二信號接收器和位於所述第一信號接收器和所述第二信號接收器之間的多個第三信號接收器；

在步驟s420中，啟動第一超聲發射器向所述待測量的物體發出超聲波；

在步驟s430中，當所述第二信號接收器接收到所述待測量的物體反射的超聲波時，啟動第二超聲發射器向所述待測量的物體發出超聲波；

在步驟s440中，根據接收到所述待測量的物體反射的超聲波的第三信號接收器的位置確定所述待測量的物體的尺寸；

在步驟s450中，根據所述第一超聲發射器發出超聲波的時間、所述第一信號接收器接收到超聲波信號的時間以及所述待測量的物體的尺寸確定所述待測量的物體內的流體流量。

在步驟s440中，可以獲得待測量的物體的尺寸，使得本發明所提供的上述方法測量事先不知道尺寸的物體內的流體流量。

作為一種優選實施方式，可以利用本發明所提供的上述流量測量裝置實施所述流量測量方法。

作為一種常見的方式，所述待測量的物體為管道，相應地，步驟s450可以包括根據上文中所提供的公式(1)計算所述待測量的物體內的流體流量。

相應地，在步驟s440中，可以利用上文中所提供的公式(2)計算所述待測量物體的直徑。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而採用的示例性實施方式，然而本發明並不局限於此。對於本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護範圍。