超聲波流量計量儀表及用于該儀表的星形軌跡檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及流量計量技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種超聲波流量計量儀表及用于該儀表的星形軌跡檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，超聲波時差法測速是目前廣泛的應(yīng)用在超聲波儀表的流量流速計量中，其原理是安裝在超聲波測量管體的成對超聲波換能器交替發(fā)射和接收超聲波信號，超聲波按一定的軌跡傳播，通過電子器件記錄處理順逆流超聲波傳播的時間差得到超聲波軌跡上流體的線平均速度，但是該速度并非測量管體橫截面的面平均速度；且兩者之間的比值系數(shù)與溫度、流量、流體流動狀態(tài)相關(guān)。其中溫度和流量引發(fā)的系數(shù)變化可通過經(jīng)驗或CFD模擬進(jìn)行確定；流體流動狀態(tài)則與實際工況有關(guān)，為無規(guī)律變化(如表前有變徑，則管道內(nèi)局部流速會較快，其他部會較慢)，由于不同的工況，線平均速度與面平均速度的比值系數(shù)的可能引發(fā)達(dá)到30%以上波動。
[0003]現(xiàn)有市場的超聲波流量儀表(超聲波熱量表/水表/流量計)的超聲波傳播軌跡一般采用平行支架式、Z型、V型、W型及這四種形式的多聲道復(fù)合型，這四種基礎(chǔ)形式的均是過管道軸線的超聲波軌跡，其測的先平均速度均不能有效反映速度不規(guī)則的面平均速度；多聲道復(fù)合形式通過多個聲道軌跡的線速度擬合，能夠有效的反映不規(guī)則的面平均速度，但是常常需要4對以上乃至十幾對換能器才能達(dá)到目的，除去換能器對和計算器的成本增加，其中平行支架式多聲道需要在測量管體內(nèi)排布過多的反射面支架大大堵塞測量管體管道，Z型、V型、W型需要在測量管體上加工、安裝高精度、高難度的換能器安裝座和超聲波反射面也大大增加了產(chǎn)品的成本。
[0004]近期有一種三維多反射聲道的產(chǎn)品采用七次反射，使得超聲波軌跡均勻涵蓋測量管體橫截面的大部分區(qū)域，從而通過一對換能器有效測得截面大部分區(qū)域速度。但該發(fā)明的測量管體截面為正方形，增大了測量管體的壓損與加工難度；其中兩組反射面為三維角度，加工工藝與裝配工藝及其復(fù)雜，若有微小誤差，則不能有效反射超聲波信號，可推廣應(yīng)用性低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種加工方便、安裝快捷、檢測精度高、成本低廉，并使超聲波信號沿著星形軌跡傳播反射、對復(fù)雜的不均勻的流動狀態(tài)流體流速進(jìn)行計量的超聲波流量計量儀表，同時，還提供一種方法獨特、互不干擾的星形軌跡檢測方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
一種超聲波流量計量儀表，包括測量管體、一對換能器和反射面，所述一對換能器包括反射換能器和接收換能器，其特征在于所述測量管體內(nèi)壁圓周設(shè)有反射面，所述測量管體側(cè)壁至少設(shè)有一對換能器安裝座，所述一對換能器分別安裝在一對換能器安裝座內(nèi)，所述一對換能器與測量管體的中心交點在同一縱切面上，且所述一對換能器橫向方向的中心軸線的夾角等于所述換能器發(fā)出的超聲波信號的折射夾角，通過超聲波信號沿著測量管體內(nèi)壁的反射面反復(fù)折射形成星形軌跡傳播，使得超聲波軌跡均勻涵蓋測量管體內(nèi)的整個流通區(qū)域，使測量管體內(nèi)反射面不存在三維角度，易于加工制造且不影響測量管體的圓管形狀，并通過通過一對換能器有效測得截面大部分區(qū)域速度，實現(xiàn)對不均勻的復(fù)雜流動的準(zhǔn)確測量。
[0007]本發(fā)明所述測量管體內(nèi)的反射面呈狹長的長方形，所述測量管體內(nèi)壁是由η個反射面沿測量管體內(nèi)壁圓周陣列而形成的多邊形內(nèi)鏡，且反射面面平行于測量管體軸線，以利于支持多聲道的復(fù)合型測量，當(dāng)測量管體上設(shè)有多組換能器時，只需要增加換能器安裝座，使多個聲道共用反射面面進(jìn)行星形軌跡的信號傳播，互不干擾，大大提高了流體的測量精度。
[0008]本發(fā)明所述反射面的寬度為10mm-20mm。通過一對換能器的超聲波全方位掃描測量管體內(nèi)流體全部的流通空間，使本發(fā)明能夠在較大流量、溫度、不規(guī)則流動變化范圍內(nèi)，及在量程比250:1情況下、4°C至150°C溫度變化范圍內(nèi)、測量管體前為O直管段安裝環(huán)境下正常工作，精確測量流體流速，使測量精度進(jìn)一步達(dá)到±1%的作用。
[0009]—種用于超聲波流量計量儀表的星形軌跡檢測方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1:建立近似圓柱坐標(biāo)系，圓柱坐標(biāo)系的Z軸為測量管體兩個換能器孔在測量管體上的軸向長度，圓柱坐標(biāo)系的柱面直徑為測量管體的公稱直徑；
超聲波信號反射i_l次，取3 < i < X，
當(dāng)X受制于超聲波反射多次后信號逐漸削弱到可接收的程度，
目前，X最大可取11，形成i條線平均速度；在以上坐標(biāo)系的柱面圓上繪制η邊形，且5< η < y,
y受制于測量管體截面圓周長與換能器直徑的比，
目前，y最大可取至20，
標(biāo)記η邊形的角編號為O、1、2、3......η-l ；
將該測量管體的兩個換能器孔之間的圓柱沿軸向距離i等分，標(biāo)記截面編號a、b、c……(共i+Ι個截面)；
由以上兩組參數(shù)建立一個近似柱面坐標(biāo)系，截面編號為軸坐標(biāo)，角編號為垂直軸向截面坐標(biāo)，各取每組一個參數(shù)組成為一個位置點，連續(xù)的位置點依次相連即形成超聲波信號軌跡；
各個發(fā)射、接收、反射位置點坐標(biāo):
(a,O)其中:l〈m〈n/2
(b，M0D (l*m，n))MOD (a，b)為 a 除以 b 的余數(shù)
(c，MOD (2*m，n))
(d，MOD (3*m，n))
(i，MOD (i*m_m，n))
(i+l，0)
注:當(dāng)參數(shù)n與m存在公因數(shù)時，貝Ij產(chǎn)生的星形軌跡相同；例如對于n=5、m=2將產(chǎn)生一個五角星的投影，而n=10、m=4時，將產(chǎn)生相同的五角星投影；因此本發(fā)明方法是開放的也是有數(shù)量上限，可操作，不會產(chǎn)生過多的方案，令設(shè)計者無從選擇；
步驟2:超聲波信號軌跡首尾兩點為換能器安裝點，沿首尾線段方向為軸心定位換能器的安裝座。
[0010]本發(fā)明由于采用上述結(jié)構(gòu)和檢測方法，具有加工方便、安裝快捷、檢測精度高、成本低廉等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0011]
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是圖1的左視圖。
[0013]圖3是圖2中I的放大圖。
[0014]附圖標(biāo)記:測量管體D換能器A、B。
【具體實施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)一步說明:
如附圖所示，一種超聲波流量計量儀表，包括測量管體D和一對換能器A、B，所述一對換能器A、B包括反射換能器和接收換能器，其特征在于所述測量管體內(nèi)壁圓周設(shè)有反射面C，所述測量管體D側(cè)壁至少設(shè)有一對換能器安裝座，所述一對換能器A、B分別安裝在一對換能器安裝座內(nèi)，所述一對換能器A、B與測量管體D的中心交點在同一縱切面上，且所述一對換能器A、B橫向方向的中心軸線的夾角等于所述換能器發(fā)出的超聲波信號經(jīng)過反射面C折射出的夾角，通過超聲波信號沿著測量管體D內(nèi)壁的反射面C反復(fù)折射形成星形軌跡傳播，使得超聲波軌跡均勻涵蓋測量管體D內(nèi)的整個流通區(qū)域，使測量管體D內(nèi)的反射面C不存在三維角度，易于加工制造且不影響測量管體的圓管形狀，并通過通過一對換能器A、B有效測得截面大部分區(qū)域速度，實現(xiàn)對不均勻的復(fù)雜流動的準(zhǔn)確測量。
[0016]本發(fā)明所述測量管體D內(nèi)的反射面C呈狹長的方形凹槽，所述測量管體D內(nèi)壁圓周陣列有η (η不小于5)個反射面C，且反射面C與測量管體D軸線平行，以利于支持多聲道的復(fù)合型測量，當(dāng)測量管體D上設(shè)有多組換能器Α、B時，只需要增加換能器安裝座，使多個聲道共用反射面進(jìn)行星形軌跡的信號傳播，互不干擾，大大提高了流體的測量精度。
[0017]本發(fā)明所述反射面C的寬度為10mm-20mm，通過一對換能器Α、B的超聲波全方位掃描測量管體D內(nèi)流體全部的流通空間，使本發(fā)明能夠在較大流量、溫度、不規(guī)則流動變化范圍內(nèi)，及在量程比250:1情況下、4°C至150°C溫度變化范圍內(nèi)、測量管體D前為O直管段安裝環(huán)境下正常工作，精確測量流體流速，使測量精度進(jìn)一步達(dá)到±1%的作用。
[0018]—種用于超聲波流量計量儀表的星形軌跡檢測方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟1:建立近似圓柱坐標(biāo)系，圓柱坐標(biāo)系的Z軸為測量管體兩個換能器孔在測量管體
D上的軸向長度，圓柱坐標(biāo)系的柱面直徑為測量管體D的公稱直徑；
超聲波信號反射i_l次，取3 < i < X，
當(dāng)X受制于超聲波反射多次后信號逐漸削弱到可接收的程度，
目前，X最大可取11，形成i條線平均速度；在以上坐標(biāo)系的柱面圓上繪制η邊形，且5< η < y,
y受制于測量管體D截面圓周長與換能器直徑的比，
目前，y最大可取至20，
標(biāo)記η邊形的角編號為O、1、2、3......η-1 ；
將該測量管體D的兩個換能器孔之間的圓柱沿軸向距離i等分，標(biāo)記