一种非满管流量测量装置及其实现方法与流程

1.本发明属于测量技术领域，尤其涉及液体流量测量的非满管流量测量装置。


背景技术：

2.在计量技术中，一般流过流量计的液体是要求满管的，流量计是计量仪器设备的重要组成部分，流量计在各领域中得到了广泛的应用，并推动和支持国民经济的不断发展。但是很多流量计单从外观看不出内部液体是否充满管段，可能导致流量测量的准确度下降，尤其是在非满管流量流过时，流体在管道中占的比例，直接影响计量的准确性。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种非满管流量测量装置，弥补了现有流量计非满管测量流量的不足，采用的技术为超声波测量技术和光源定位检测技术，光源定位检测技术是根据固定光源通过水面的折射及接收光强度的接收器来检测液位，并进一步的计算出流量的流通面积来计算流量的。
4.为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：一种非满管流量测量装置，包括光发射源、点阵光信号接收区、流速测量机构和空气检测机构，空气检测机构包括顶部超声波传感器和底部超声波传感器，其中点阵光信号接收区由接收器组成，流速测量机构是在管道不同水平面分布的多组超声波传感器进行流速测量；当在低水位的时候，光发射源经过水平面将光通过入射角折射到低水位线以上按照折射角进行发射，发射到点阵光信号接收区，点阵光信号接收区接收到的光照强度转换成电信号值，根据电信号的大小可以确定折射角度并通过几何计算，针对不同的管段内径推导出液面高度。
5.进一步的，所述光发射源嵌入在管段的左下侧，光发射源的内侧接触到管段内部的液体，经过管段内部的水位线的高低将光线进行折射。
6.进一步的，所述光发射源随着水位线的高度上升，折射点会逐渐右移，折射之后的光线定位于管段的右上角点阵光信号接收区。
7.进一步的，所述光发射源的光在固定液体中有固定的入射角和折射角，当光发射源发出光线时，经过水位线折射，折射后的光线按照不同的角度发射到管段右上角点阵光信号接收区。
8.进一步的，所述点阵光信号接收区在管段右上角的一小部分区域内，按照矩阵的形式均匀排列若干个光敏电阻颗粒，以接收光发射源折射之后的光照强度。
9.进一步的，所述点阵光信号接收区由若干个回路组成，回路数量≥20，每个回路都有5个及以上光敏电阻颗粒并联，接收不同角度的折射光线。
10.进一步的，所述顶部超声波传感器和底部超声波传感器分别嵌入在超声波流量计管段装置的最上边与最下边。
11.一种非满管流量测量装置的实现方法，实现方法包括管段是否满管判断步骤：当管道内部的液体非满管时，底部超声波传感器发射的超声信号通过空气时严重衰减，顶部超声波传感器根据接收的信号判断是否有空气进入管段，顶部超声波传感器检测不到信号判定此时非满管。
12.进一步的，所述实现方法还包括计算得出流量的信息步骤：光发射源发射光线，光线在液体内部经过水平面发射到空气中，根据光的传播，经过不同介质时会发生折射现象，入射角与折射角的位置根据介质的液面高度而发生变化，当管段内部的水平面变化时，入射点随之变化，入射角与折射角在管段内相同的介质内角度是不变的，从而折射点会根据入射点的不同而折射到点阵光信号接收区不同的位置，接收到光信号的点后，其中光敏电阻的阻值是随着光照强度的增加而减小，对光信号的电压值进行分析计算，进而得到该高水位线时流量的信息。
13.本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：在管段内非满管的情况下，不至于按照满管的情况继续跑流量，增加了流量计的可靠性，接收器可实时监测非满管的液位，通过超声波流量测量和液位高度，可以进一步计算出非满管情况下的液体流量，为流量测量提供数据支撑。
附图说明
14.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
15.图1为低水位线时管段内部工作示意图；图2为低水位线时管段内部工作示意图；图3为光信号接收器线路图；图4为水位变化时折射点变化演示图；图5为流速测量机构中超声波流速检测组分层布置示意图；图6为每组两个超声波传感器中45
°
对射示意图；图1和图2中：1、光发射源；2、入射角；3、折射角；4、点阵光信号接收区；5、水位线；6、管段；7、顶部超声波传感器；8、底部超声波传感器；图3中，r为光敏电阻颗粒，v1+,v2+，v3+，
……
，vx+为电信号正极，v1
‑
,v2
‑
，v3
‑
，
……
，vx
‑
为电信号测试点；图4中，l1和l2为水位高度，j1和j2是入射点a在l1和l2不同水位时经过折射后到达管壁的接收点。
具体实施方式
16.实施例1，如图1和图2所示，一种非满管流量测量装置，包括光发射源1、点阵光信号接收区4和空气检测机构，空气检测机构包括顶部超声波传感器7和底部超声波传感器8，其中点阵光信号接收区由接收器组成。当在低水位的时候，光发射源1经过水平面将光通过入射角2折射到低水位线以上按照折射角3进行发射，发射到点阵光信号接收区4，接收到光信号的点后，对v1
‑
,v2
‑
，v3
‑
，
……
，vx
‑
电信号的测量值进行分析计算，得到相关的液位信
息，其中光敏电阻颗粒的阻值是随着光照强度的增加而减小，进而得到该低水位线时液面高度的信息。
17.所述光发射源1嵌入在管段6的左下侧，光发射源1的内侧接触到管段6内部的液体，经过管段6内部的水位线5的高低将光线进行折射；当液面位置不同时，折射点的位置不同。
18.如4图所示，当水的高度为l1时，入射点a经过折射后到达管壁j1位，此时通过接收器可以定位到此位置，可计算得出高度l1。当水位高度为l2时，可通过接收器定位到此位置，可计算出来高度为l2，其中l2和l1 的落差h，通过折射定律可知，从介质接触面到接收点j1的折射线与j2的折射光线是平行的。
19.所述光发射源1随着水位线5的高度上升，折射点会逐渐右移，折射之后的光线基本定位于管段6的右上角点阵光信号接收区4。
20.所述光发射源1的光在固定液体中有固定的入射角2和折射角3，当光发射源1发出光线时，经过水位线5折射，折射后的光线按照不同的角度发射到管段6右上角点阵光信号接收区4。
21.入射光线与通过入射点的界面法线所构成的平面称为入射面,入射光线和折射光线与法线的夹角分别称为入射角和折射角,以θ1和θ2表示。
22.折射定律表述为:
①
折射光线在入射面内。
②
入射角和折射角的正弦之比为一常数,用n21表示,即；式中n21称为第二介质对第一介质的相对折射率。
23.光从光速大的介质进入光速小的介质中时，折射角小于入射角；从光速小的介质进入光速大的介质中时，折射角大于入射角。
24.在实际应用中，两种介质不变的情况下，入射角不变，相对折射率n21是个常数，所以折射角不会变化。
25.所述光线发射到的点阵光信号接收区4，由于光发射源1固定设置于管段6的左下角，根据不同液位推导，点阵光信号接收区4只占据管段6右上角的一小部分区域。
26.所述点阵光信号接收区4在管段6右上角的一小部分区域内，按照矩阵的形式均匀排列5*x(x≥20)个光敏电阻颗粒，以接收光发射源折射之后的光照强度。
27.所述点阵光信号接收区4接收到的光照强度转换成电信号值，根据电信号的大小可以确定折射角度并通过几何计算，针对不同的管段6内径推导出液面高度，可根据满管流量算出当前的流量值大小。
28.所述点阵光信号接收区4由x(x≥20)个回路组成，每个回路都有5个光敏电阻颗粒并联，接收不同角度的折射光线。
29.所述超声波流量计管段6装置的最上边与最下边各嵌入一个超声波传感器，分别为顶部超声波传感器7和底部超声波传感器8，当管段6内液体非满管时，超声波传感器检测不到信号，报警该管段6非满管。
30.当在高水位的时候，光发射源1经过水平面将光通过入射角2折射到低水位线以上按照折射角3进行发射，发射到点阵光信号接收区4，接收到光信号的点后，对光信号的电压
值进行分析计算，得到相关的液位信息，其中光敏电阻的阻值是随着光照强度的增加而减小，进而得到该高水位线时流量的信息。
31.如图5和图6所示，所述非满管流量测量装置还包括流速测量机构，流速测量机构包括若干组超声波流速检测组，每组超声波流速检测组包括两个超声波传感器，每组超声波流速检测组构成一个声路，每组中两个超声波传感器在管道上错开，成45
°
夹角对射，若干组超声波流速检测组布置在至少三个不同水平线的分层面上，以保证流速测量机构能够检测到最低液位状态下管内液体流量。液位的高度必须超过1#声路才能进行有效的测量，超声波传感器根据检测到流量建立非满管不同高度液位的液体流量的流量模型，进而计算出相应的流量。
32.一种非满管流量测量装置的实现方法包括以下步骤：步骤1，管段是否满管判断。
33.当管道内部的液体非满管时，底部超声波传感器8发射的超声信号通过空气时严重衰减，顶部超声波传感器7根据接收的信号判断是否有空气进入管段，顶部超声波传感器7检测不到信号判定此时非满管。
34.步骤2，计算得出流量的信息。
35.光发射源发射光线，光线在液体内部经过水平面发射到空气中，根据光的传播，经过不同介质时会发生折射现象，入射角与折射角的位置根据介质的液面高度而发生变化，当管段内部的水平面变化时，入射点随之变化，入射角与折射角在管段内相同的介质内角度是不变的，从而折射点会根据入射点的不同而折射到点阵光信号接收区4不同的位置，接收到光信号的点后，其中光敏电阻的阻值是随着光照强度的增加而减小，对光信号的电压值进行分析计算，进而得到该高水位线时流量的信息。
36.举例说明，如图3所示，v1+和v1
‑
中间的光敏电阻颗粒是与管道液面平行的布置，v1
‑
后端接固定电阻值rg,理想情况下，发光源经过直射后，光源的中心点会落在vn+(n=1,2,3,
…
,x)和vn
‑
(n=1,2,3,
…
,x)中间的电阻颗粒r上，r的电阻值会随着光强度的增大而减小，所以vn+(n=1,2,3,
…
,x)和vn
‑
(n=1,2,3,
…
,x)中间的总体电阻值会变小，vn+电压值给出v不变的情况下，根据欧姆定律和分压定律，测量的出vn
‑
的电压值vc增大，通过监测各测量点vn
‑
的电压值，可得出发射源经过折射后落在接收区的位置，进而可得出液面的高度以及流通面积。
37.步骤3，根据液位高低计算出相应的流量。
38.通过流速检测机构中的超声波传感器，可以得出液体中的流速信息，不同平面的超声波流速检测组，可以组合并计算出相应的流量模型，进而得出流量信息，液位必须高于最低水平位一组的超声波传感器才能进一步的计算出流量数据。
39.本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。