一种超声波气体流量计及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及管道内流体的流速流量测量领域，具体设及一种超声波气体流量计及 测量方法。
【背景技术】
[0002] 为提高安全性及生产效率，天然气、石油、化工，及蒸气等行业需要大量的气体流 量在线检测设备。目前采用的一般是传统的机械式流量计，如满街，满轮，转子和文丘里等 流量计。由于机械转动部件引起容易磨损，或由于传感器受介质的污染乃至腐蚀，运些流量 计的性能容易变差，一般都需要定期离线维护和年检。并且，其性能受被测流体溫度、压力、 粘度、密度等参数的影响较大。
[0003] 管段式时差法超声波气体流量计是一种更先进的气体测量设备。运种流量计的管 段上预先装有一对或多对超声传感器。每对两只传感器沿流体流动方向上下游按一定距离 分开布置。通过测量超声波脉冲沿顺流方向和逆流方向的传播时间差来测量流体速度。运 种技术的优点是没有转动部件，无需经常维护，其精度可W做到很高，但其成本比传统的机 械式流量计要高两个数量级，无法推广使用。另外一个主要缺点是其超声传感器直接与介 质接触，因此无法对强腐蚀性、放射性及易燃易爆介质进行检测。除此而外，其安装跟传统 的流量计一样，仍然需要把管道断开，要求工厂停产，并通过严格的安全预防程序，代价很 大。
[0004] 近年来国际上出现了基于时差法的外夹式超声波气体流量计。运种流量计跟前面 提到的管段式超声波气体流量计的工作原理是一样的，仍然通过测量超声波脉冲沿顺流方 向和逆流方向的传播时间差来测量流体速度。但是，运种流量计的传感器不是装在管段里 的，而是直接绑在气体管道外面的，因此，无需破坏管道，无需停工停产。
[0005] 然而，由于管道壁金属与管内气体的密度相差太大，超声波穿透管道壁的能力很 差，99.9999%的能量都损失掉了。特别是当管内气体压力不太高或管径比较小时，运些损 失的能量残留在管道壁里变成了强大的噪音，使得有用的信号几乎无法被检测到，因此，运 种技术只能用在气压较高的场合。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种超声波气体流量计及测量方法，将超声波 发生传感器及超声波接收器传感器W外夹方式固定在气体管道上，气体流量计算基于互相 关原理，通过测量两个受流体调制的超声信号之间的相关时间延迟实现。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
[000引一种超声波气体流量测量方法，包括W下步骤：
[0009]在管道一侧通过超声波发生传感器，发送一定频率的超声波信号到管道里的气体 介质中；在管道另一侧通过两个超声波接收传感器，接收经过流体调制后的超声波信号;超 声波接收传感器接收到流体调制后的信号，将该信号转换成电信号送到接收器;接收器对 接收到的电信号进行放大、滤波、相关正交解调;计算出解调后的两路信号的时间差，即延 迟时间τ?2;根据公式ti2 = D/V计算出流体的速度V，式中，D为两个超声波接收器之间的距 离;计算流体流量。
[0010] 根据上述方案，所述相关正交解调，即对两路调制信号之间的互相关函数计算采 用专用高速信号处理DSP忍片。
[0011] 根据上述方案，还包括对超声波进行吸波处理，提高超声波信号的信噪比，即在两 个超声波接收传感器之间的管段上W及超声波接收传感器的上下游裹一层吸声材料。
[0012] 根据上述方案，包括将超声波发生传感器所发送的超声波信号按一定入射角度有 效地发送进管道，或把一定角度的超声波信号从管道有效地接收回来，所述角度为超声波 信号入射方向与管道壁法线之间的夹角，且角度在30度到60度之间。
[0013] 根据上述方案，在所述相关正交解调中，采用互相关时延算法计算解调后两路信 号的互相关函数。
[0014] -种超声波气体流量计，在管道一外侧固定有超声波发生传感器，另一外侧固定 有第一超声波接收传感器，在与所述第一超声波接收传感器相距一定距离设置有第二超声 波接收传感器，所述第二超声波接收传感器固定在管道上，与第一超声波接收传感器同侧； 所述第一超声波接收传感器连接到第一前置放大单元，所述第二超声波接收传感器连接到 第二前置放大单元，第一前置放大单元和第二前置放大单元共同连接到信号处理单元，所 述信号处理单元连接到流速计算单元，所述流速计算单元连接到显示单元。
[0015] 根据上述方案，所述第一超声波接收传感器与第二超声波接收传感器之间的距离 为管道直径的1到3倍。
[0016] 根据上述方案，在所述超声波发生传感器和超声波接收传感器上还固定有声模， 在所述声模与管道壁触面之间添加有禪合剂，用于将超声波信号有效地入射到管道内部流 体中。
[0017] 根据上述方案，在超声波发生传感器和超声波接收传感器之间，或者整个管道测 量段固定有一个或多个声吸收块。
[0018] 根据上述方案，所述超声波发生传感器和超声波接收传感器采用PZT压电陶瓷材 料。
[0019] 与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明没有机械转动部件，不磨损，使用 寿命长;造价低，适合推广使用;整体装置都是W外绑式安装在管道外壁，使用和维修方便； 本发明测量精度高;本发明不但可W测量高压气体，还可W测量很低压力的气体，不但可W 测量大口径管道，还可W测量小口径管道，还可W用来测量气体与液体或气体与固体的两 相流体。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明中单频率互相关测量系统结构示意图。
[0021] 图2是本发明中互相关正交解调器及信号处理单元。
[0022] 图3是本发明中第一超声波接收传感器接收到的信号。
[0023] 图4是本发明中第二超声波接收传感器接收到的信号。
[0024] 图5是本发明中对两个超声波接收传感器接收到的信号进行解调后的信号。
[0025]图6是本发明中互相关测量系统的信号解析结果。
[00%]图7是本发明中声吸收块结构示意图。
[0027] 图8是本发明中声模结构示意图。
[0028] 图9是本发明中超声吸声块对多相关峰的作用示意图。
[0029] 图10是本发明中双频率互相关测量系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0031] 如图1所示，本发明系统包括一个超声波信号发射换能器Ts(超声波发生传感器）， 两个或多个超声波信号接收传感器(Τη，Τη，···，?Υη)(超声波接收传感器），信号处理模块 Ρ1和流速计算显示单元U1。信号发送和采集传感器W外绑的方式按一定距离安装在气体管 道外壁，管道材料可W为碳钢、不诱钢、PVC材料等，管道内流动的待测流速介质为气体、蒸 汽或气液二相介质。换能器由ΡΖΤ压电陶瓷材质制成。压电陶瓷外安装声模I将超声波信号 按一定的角度入射，换能器的声模跟管道外壁接触面用声禪合剂，W提高声波的禪合效率。
[0032] 本发明系统的测量对象为管道中流体速度，系统由信号发射和采集传感器、信号 处理单元W及流速计算显示单元组成。发射换能器Ts产生连续的单频率超声波，其频率依 据管道的口径、材料及气体介质密度而定，通常在50KHZ到2MHz之间。发射换能器安装声模 I，可使超声波信号入射方向与管道壁法线夹角呈一定的入射角度化，化在30度到60度之 间。管道的管道壁厚度为P，P由管道具体尺寸确定。发射换能器Ts产生纵波和横波，在管道 壁中W横波的形式经由管道壁与空气交界面的多次反射，沿着管道壁并与管道壁法线呈化 角度的折线路径传播，相邻反射点距离为Li。在横波传播的每个管道壁与管道内部流体交 界的反射点，管道壁内部传播的横波都有部分通过交界面透射进入管道内部流体，在每个 交界点超声波透射方向与管道壁法线夹角固定为化。化、Φ3由入射角度W及交界面两介质 折射率根据Snell折射定律计算。折射入管道内部的超声波通过流体传播，由于流体介质密 度不均匀、内部的悬浮颗粒W及流体流动产生的素流縱满，当超声波经过流体后，会产生波 动信号在时间相位和能量上的变化，运些改变体现为超声信号的相位和幅度调制，在信号 处理中定义为被测流体的特征信号。
[0033] 在管道的另一侧与发射换能器相对，W间隔D的距离安装超声波接收传感器，用W 接收穿过流体和经过管道壁的超声波信号。超声波接收传感器至少要两个，如图1所示的 Tri和Τη, W便接收至少两个声道的信号。接收传感器沿管线的安装距离D等于Li的整数倍， 其中Li是两个相邻反射点或声束之间的距离，Li由管道壁厚度W及化来计算确定。
[0034] 接收传感器化1和化2采集带有流体特征信息的超声波，将其转换成电信号送入信 号处理单元，在该单元对信号进行放大W及滤波处理，再做相关正交解调，W提取流体的调 制信号，流速计算显示单元通过计算两个通道接收调制信号的互相关函数，计算流体流速。
[0035] 图1的发射和接收换能器声模I经过特别设计，包括设计声模材质W及入射角度， 相应地改变反射角恥W及折射角化，并在声模与管道壁接触面添加禪合剂，使信号能够更有 效地入射到管道内部流体中，按一定入射角度有效地发送进管道，或把一定角度的超声波 能量从管道有效地接收回来。
[0036] 如图1所示，超声波发射换能器W-定角度外绑安装在管道壁外，超声波信号折射 进入管道壁，在管道壁内w横波形式多次反射沿折线传播。部分发射信号能量将沿管道壁 传入超声波接收传感器，对接收的调制信号造成干扰。工业环境中，管道本身就可能十分增 杂，给接收传感器带来机械噪音。此外，气体或蒸汽密度非常低，管道内部透射到接收传感 器的信号极小，因此，管道壁传导的信号强度远高于管道内部低密度流体透射到接收传感 器的信号。为了降低干扰信号，本发明包括了一个或几个声吸收块，通过外绑的方式安装在 接收传感器之间附近的上下游（图1中的Sa)。为达到最佳吸声效果，用多个声吸收块来包住 发送及接收传感器附近上下游部分的整个管段。
[0037]如图2所示，超声波接收传感器Tri和Tr2分别采集两路经过流体调制的超声波信 号，如图中的ri(t)及n(t)所示，其中ri(t)是第一个接收传感器(上游传感器)接收到的信 号