一種通道式超聲波氣體流量計及流量測量方法與流程

本發明屬于流體流量計量領域，具體涉及一種通道式超聲波氣體流量計及流量測量方法。

背景技術：

1、用超聲波測量氣體流量是目前被廣泛使用的一種流量計量方式，因飛行時間(tof)測量芯片需要大量依賴進口，快速息振的超聲換能器需要大量依賴進口，故國內的超聲波氣體流量計市場一直嚴重依賴國外進口產品與進口關鍵部件，導致價格相對較高，且技術受制于人。

技術實現思路

1、本發明針對現有超聲波測量氣體流量核心部件依賴進口、價格較高、技術受制于人的技術問題，提供一種能夠實現大流量、高精度、高量程比測量的多通道超聲波流量計及流量測量方法。

2、為此，本發明的技術方案是，一種通道式超聲波氣體流量計，在被測量流體的上下游各設置一個空腔，在兩個空腔之間設有流體通道，所述流體通道兩端與空腔連通，所述流體通道兩端的腔體空間內設置一對對射式超聲波換能器，所述對射式超聲波換能器上分別連接信號發生器和芯片，所述信號發生器用于發射方波信號，所述對射式超聲波換能器包括發射端換能器和接收端換能器，所述方波信號用于激發所述發射端換能器產生超聲信號，所述接收端換能器用于產生響應信號，所述芯片用于監測超聲波從發射端換能器到接收端換能器的飛行時間。

3、優選的，所述流體通道不少于1個，當流體通道數大于1個時，各個流體通道的截面積和長度均相等。

4、優選的，所述芯片采用納秒級分辨率的芯片。

5、一種通道式超聲波氣體流量計流量測量方法，具體步驟為：

6、步驟1，在流體通道的兩端腔體中設置的對射式超聲波換能器上游為換能器ai，下游為換能器bi；

7、步驟2，在氣體無流動、無擾動環境下，分別標定出各個流體通道的下行聲程laibi與上行聲程lbiai；

8、步驟3，按照固定的時間間隔，設為t秒，依次測量出各個流體通道的超聲波飛行時間并計算出流量與用氣量，循環執行完成測量過程。

9、優選的，所述步驟2中，聲程的標定以恒定溫度為t的干燥空氣作為標定介質，具體方法為：

10、(1)啟動信號發生器產生k個方波信號，方波信號激發換能器ai發射超聲信號，在換能器bi上產生響應信號，通過芯片監測并輸出超聲波飛行時間tbi；間隔時長τ秒后，改由換能器bi發射、換能器ai接收，通過芯片監測并輸出超聲波飛行時間tai；上述步驟，每間隔固定時間重復一次；

11、(2)如某聲道滿足連續m個tai均相等，m個tbi均相等，則標定出該聲道聲程如下：

12、

13、其中c0為t0狀態下干燥空氣中的聲速。

14、優選的，所述步驟s3具體為：

15、(1)啟動信號發生器產生k個方波信號，方波信號激發換能器ai發出超聲信號，在換能器bi上產生響應信號，通過芯片監測并輸出超聲波飛行時間tbi；間隔時長τ秒后，由換能器bi發射、換能器ai接收，通過芯片監測并輸出超聲波飛行時間tai；

16、(2)設共有n個流體通道，每個流體通道的截面積均等，設為s，每測量一次，計算并輸出一次工況流量：

17、其中，α為標定參數；

18、(3)計算基準流量：

19、

20、其中：

21、p、t為介質的絕對壓力與絕對溫度；

22、t0為基準狀態的絕對溫度，p0為基準狀態的大氣壓；

23、z0為參比狀態下的氣體壓縮系數，根據設立的參比狀態具體賦值；

24、zg為變量，根據gb/t17747或aga8給出的數據，通過擬合與計算獲得；

25、(4)計算基準用氣量：q＝∑qb*t；

26、優選的，α的標定方法為：在已知實際流量的情況下，獲取測量流量，α＝實際流量/測量流量。

27、本發明有益效果是：

28、(1)通過設置多個小口徑流體通道，減小因口徑大造成流速分布梯度大對測量造成的負面影響，極大地提高了流量測量范圍與流量測量精度，提高了流量計量的量程比；

29、(2)通過在多個流體通道的兩端分別設置空腔，形成局部空間用于穩定介質流速場，提高了測量精度；

30、(3)通過多流體通道、多聲道與對稱式布局設計，即便是其中之一聲道損壞仍可繼續計量，極大地提高了設備的可靠性與耐久性；

31、(4)通過雙向聲程各自標定，消除換能器以及測量電路系統誤差，提高了測量精度；

32、(5)通過增加聲道長度、延長測量時間，使用納秒級分辨率的芯片即可實現高精度測量與小流速測量，降低了超聲波流量計的制造門檻；

33、(6)通過增加聲道長度與錯時發射等措施，解決了超聲換能器的息振時間給測量帶來的不確定性，大幅度降低了換能器的適配門檻，為超聲波流量計提供了大量程、高精度、低成本的解決方案。

技術特征：

1.一種通道式超聲波氣體流量計，其特征在于，在被測量流體的上下游各設置一個空腔，在兩個空腔之間設有流體通道，所述流體通道兩端與空腔連通，所述流體通道兩端的腔體空間內設置一對對射式超聲波換能器，所述對射式超聲波換能器上分別連接信號發生器和芯片，所述信號發生器用于發射方波信號，所述對射式超聲波換能器包括發射端換能器和接收端換能器，所述方波信號用于激發所述發射端換能器產生超聲信號，所述接收端換能器用于產生響應信號，所述芯片用于監測超聲波從發射端換能器到接收端換能器的飛行時間。

2.根據權利要求1所述的通道式超聲波氣體流量計，其特征在于，所述流體通道不少于1個，當流體通道數大于1個時，各個流體通道的截面積和長度均相等。

3.根據權利要求1所述的通道式超聲波氣體流量計，其特征在于，所述芯片采用納秒級分辨率的芯片。

4.一種通道式超聲波氣體流量計流量測量方法，其特征在于，具體步驟為：

5.根據權利要求4所述的通道式超聲波氣體流量計流量測量方法，其特征在于，所述步驟2中，聲程的標定以恒定溫度為t的干燥空氣作為標定介質，具體方法為：

6.根據權利要求4所述的通道式超聲波氣體流量計流量測量方法，其特征在于，所述步驟s3具體為：

7.根據權利要求6所述的通道式超聲波氣體流量計流量測量方法，其特征在于，α的標定方法為：在已知實際流量的情況下，獲取測量流量，α＝實際流量/測量流量。

技術總結
本發明提供一種通道式超聲波氣體流量計及流量測量方法，在被測量流體的上下游各設置一個空腔，在兩個空腔之間設有流體通道，所述流體通道兩端與空腔連通，所述流體通道兩端的腔體空間內設置一對對射式超聲波換能器，所述對射式超聲波換能器上分別連接信號發生器和芯片，所述信號發生器用于發射方波信號，所述對射式超聲波換能器包括發射端換能器和接收端換能器，所述方波信號用于激發所述發射端換能器產生超聲信號，所述接收端換能器用于產生響應信號，所述芯片用于監測超聲波從發射端換能器到接收端換能器的飛行時間。其解決了現有超聲波測量氣體流量核心部件依賴進口、價格較高、技術受制于人的技術問題。本發明可廣泛應用于流體流量計量領域。

技術研發人員：戰超,于長松
受保護的技術使用者：威海同天信息科技有限公司
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21