本发明涉及超声流量计量技术领域，尤其是涉及一种气体超声波流量计及装置。
背景技术：
近年来随着国家不断出台政策鼓励使用清洁能源，越来越多的终端用户使用天然气替代煤炭，以减少空气污染，提高环境质量。但是，城市用的低压天然气计量装置大多还采用机械式技术，如家庭与工商业户所使用的皮膜表、腰轮、涡轮流量计等，此类流量计(表)存在机械转动部件，随着运行时间加长，机械传动部分会因脏污、磨损等使贸易计量产生偏差。由于常用的机械技术计量表及流量计并不具备自我诊断功能，无法判断计量仪表是否处于正常工作状态，同时也不能避免偷气现象的发生，造成燃气公司供销差往往较大，导致经营损失。
气体超声流量计因其无转动部件，具备智能诊断功能，在长输高压管线分输站得到广泛应用。遵照相关国际与国家标准，现有气体超声流量计一般都采用时间差法，通过两个超声传感器对称设置来测量正反两方向声速传输时间，导出气体流速，达到计量气体流量的目的。时间差法示意图见附图1。时间差法的计算原理如下公式：
及
按照上述公式，推导出时间差法公式为：
及
其中：
tAB＝传感器A到传感器B的声波传输时间
tBA＝传感器B到传感器A的声波传输时间
L＝测量距离
vt＝时间差法测量的气体流速
c＝声速
时间差法要求：构成计量声道的传感器必须配对存在；传感器本身可发射声波，也能接收对面配对传感器的声波信号。
上述时间差法公式(1)表示：理论上，气体流速只与传输时间和测量距离有关，与被测介质的温度、压力、组分及声速等没有关系，因此其能够在复杂变化的现场条件下保证准确的流速测量。这也是时间差法能够广泛应用在速度式气体流量计的主要原因。
时间差法可同时得到气体中传播的测量声速c。根据美国燃气协会(AGA)发布的判定法，实际的声音传播速度C与压力、温度和介质组分等现场影响因素相关联，如果时间差法检测到的声速c与实际声速C之间产生较大偏差，例如超过0.5％，则可表明现场影响因素发生了变化。
目前常见的为对射式四声道气体超声流量计。采用时间差法的超声流量计，每对关联的传感器构成一个独立的计量声道，通常情况下，为保证相对较高的测量精度和冗余备份，贸易计量用气体超声流量计多为两声道及以上。
但大多数家庭与工商业用户年度消费燃气总量相对较少，也因此导致对应用在低压城市燃气计量用表的计量精度要求不高，仪表采购成本控制也较为严格。目前城市燃气计量市场出现的单声道时间差法的超声流量计(表)，成本虽然低廉，但如果构成单声道的其中一个传感器出现故障，则该声道也就同时失去了计量功能，无法做到提前预警、冗余备份等智能诊断与补偿功能，导致对燃气公司造成计量损失，也会由此产生计量纠纷和不好的社会影响。如果采用冗余备份的两声道(两对超声传感器)或更多声道设计方案，成本则将大幅增加，燃气公司会因成本控制而减少多声道超声流量计的使用数量。因此现存的成本与冗余之间的矛盾，制约了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。
因此，为了解决上述问题，本发明提出一种可采用单声道对流量进行准确测量的技术；同时，为了解决现有超声流量表中因测量管段与复杂的气体入口管道配置直接相连，造成气体流态不稳导致的测量不准的问题，本发明拟提出一种新的超声流量计单元及装置。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种超声流量计单元及装置，可采用单声道对流量进行准确测量，解决现有技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，同时解决采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，保证超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用，同时使得气体流态在计量区域达到较为理想的形态。
本发明提供一种超声流量计单元，包括外壳、一对传感器和整流装置，其中，所述一对传感器包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和第二传感器分隔设置于所述外壳内的两端；所述外壳呈文丘里管结构；所述呈文丘里管结构的一端的第一传感器或第二传感器上设有所述整流装置，用于对进入所述超声流量计单元的气体流态进行调整。
上述的超声流量计单元，所述整流装置包括整流罩和整流叶片，所述整流罩密封包裹于所述呈文丘里管结构的一端的第一传感器或第二传感器上，所述整流叶片沿所述整流罩的外表面径向布置且沿轴向延伸，在所述超声流量计单元的长度方向上向外侧突出于所述整流罩设置。
上述的超声流量计单元，所述整流罩呈水滴状。
上述的超声流量计单元，所述整流叶片为均匀径向排列的一组叶片。
上述的超声流量计单元，所述整流叶片沿轴向延伸。
上述的超声流量计单元，所述整流叶片的横截面为直线。
本发明还提供一种超声流量计单元，包括外壳、一对传感器和整流装置，其中，所述一对传感器包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和第二传感器分隔设置于所述外壳内的两端；所述外壳呈文丘里管结构；所述第一传感器和所述第二传感器上分别设有所述整流装置，用于对进入所述超声流量计单元的气体流态进行调整。
本发明还提供一种超声流量计装置，包括阻尼箱与上述的超声流量计单元，其中，所述阻尼箱呈“凹”形，包括外壳与内腔；所述超声流量计单元对称设置于所述阻尼箱内腔的中间位置，所述超声流量计单元与所述阻尼箱被隔板自中部分别分隔为两部分。所述超声计量单元可穿越隔板将所述阻尼箱的两个内腔相连通，两个内腔中的气体只能通过所述超声计量单元相互流通。
所述阻尼箱上距所述超声流量计单元较远的一侧设有气体入口和气体出口，所述气体入口和气体出口分别与所述两个内腔连通。
上述的装置，所述气体入口为一个，设于所述阻尼箱的一端，所述气体入口与所述阻尼箱的一个内腔连通。
上述的装置，所述气体出口为一个，设于所述阻尼箱的另一端，所述气体出口与所述阻尼箱的另一个内腔连通。
上述的装置，所述超声流量计装置还包括仪表显示盘，设于所述阻尼箱的凹口处。
本发明的超声流量计单元及装置，通过多重整流，使气体流态在计量区域达到较为理想的形态，可采用单声道对流量进行准确测量，解决了背景技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，同时解决了采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，保证了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。
附图说明
图1为背景技术时间差法流速测量的流程示意图；
图2为本发明超声流量测量的流程示意图；
图3为本发明超声流量计单元的立体结构示意图；
图4为本发明超声流量计单元的剖视结构示意图；
图5为本发明超声流量计装置的半剖结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明的超声流量计单元及装置的计量方法，可仅采用单声道超声传感器进行流量的计量。该种方法可称为时间漂移法，主要包括如下步骤：构成计量声道的一对传感器中的第一传感器发射声波，接收该对传感器中的第二传感器反射的声波信号；计量所述第一传感器发射并经第二传感器反射的往返时间；将所述发射与反射的往返时间作为流速的计量时间进行计量；根据所述流速进行流量的计量。这里要指出的是，第一传感器与第二传感器可以任意指定，并非特指。
上述的时间漂移法在本文中也称为反射法。相应现有技术的时间差法，本文也称为对射法。时间漂移法的示意图见附图2。
时间漂移法的原理来源于日常现象的启发。例：在静水中划船，A点到B点直线距离L,如以恒速c划船，从A点到B点所需时间为t1,从B点到A点所需时间为t2,往返所需总时间为t,则:
并
显然，t1等于t2，且
如果存在A至B流向的流速恒定水流，流速v不为零时,则：
并
显然，t1不等于t2，时间发生了漂移，且
推导出的时间漂移法公式为：
应用在气体超声流量计时，时间漂移法的公式(3)中：
t＝传感器A测量的往返反射声波传输时间
L＝测量距离
vd＝时间漂移法测量的气体流速
c＝声速
时间漂移法要求：构成计量声道的一对传感器有一个可正常工作即可；传感器发射声波，接收对面传感器反射的声波信号。
时间漂移法公式(3)表示：气体流速与传输时间和测量距离有关外，还与实际声速C有很大关系。本发明中时间漂移法采用的声速可以是根据时间差法推导出的声速c,如公式(2)。
本发明的气体超声流量计(表)可采用单声道双算法的冗余计量设计，可广泛应用在燃气组分、管道压力等计量条件较为稳定、有固定的停气周期及计量精度要求不高的城市燃气计量领域。
所述的单声道双算法的冗余计量，包括时间差法和时间漂移法。在单声道的配对超声传感器都正常工作的情况下，两个算法使用的是同样的测量距离和配对传感器测量的声波传输时间等数据；两个算法测量出两个气体流速值；以时间差法测量出的气体流速值为基准，时间漂移法测量出的气体流速值作为冗余比对数值。
所述的冗余设计，在单声道其中一个超声传感器发生故障、只有一个超声传感器正常工作时，可发出故障报警，处理器发出指令，气体流速转换成以正常工作的传感器按时间漂移法测量出的气体流速值。
在单个超声传感器发生故障的情况下，计量处理装置可发出报警信号，申请维修，同时可启用正常运行的超声传感器，选取调用存储器中最近测量的有效声速，采用时间漂移法测量超声波反射后的往返时间，保证准确的流速测量。单声道双算法冗余设计，提供一种易于维修维护、方便管理和冗余保障的低成本气体超声波流量计量解决方案，满足城市燃气用计量仪表的行业标准与客户低成本的需求。
对应上述单声道流量测量方法，本发明提出了流量计及装置的新的结构设计，以便通过多重整流，使气体流态在计量区域达到较为理想的形态，并可采用单声道对流量进行准确测量。
上述的单声道双算法的冗余计量的具体做法，如图3、4所示，本发明提供一种超声流量计单元F，包括外壳1、一对传感器2和整流装置3，其中，所述一对传感器2包括第一传感器21和第二传感器22，所述第一传感器21和第二传感器22分别沿轴线设置于所述外壳1内的两端；所述外壳1呈文丘里管结构；所述呈文丘里管结构的一端的第一传感器21或第二传感器22上设有所述整流装置3，用于对进入所述超声流量计单元的气体流态进行调整。本发明中第一传感器21或第二传感器22没有固定位置限制，仅是为了区分进行的编号。如此设计便使得单声道流量测量得以实现，在文丘里管结构一端进行气体输入，即可测得这端传感器发射声波并经另一端传感器反射声波后的声速，进而得到流量的计量数值。
如图4所示，进一步，所述整流装置3包括整流罩31和整流叶片32，所述整流叶片固定且与型整流罩同轴安装。所述整流罩内安装超声传感器。所述整流罩31密封包裹于所述文丘里管结构的一端的第一传感器21或第二传感器22上，所述整流叶片32沿所述整流罩31的外表面径向布置，在所述超声流量计单元的长度方向上向外侧突出于所述整流罩31设置。如此设计使得气体进入超声流量计单元后，经径向布置轴向延伸的叶片消除涡流形态，再经整流罩31强制气体进一步沿轴向加速流动，进入计量区域后，得到基本没有涡流的稳定气体流态，同时最大程度降低压力损失。
所述具备文丘里管特征的外壳及整流叶片、整流罩，逐层将进入流量计计量段的气体流态进行调整，通过所述超声传感器测量气体流速，从而推导出气体流量。
优选地，所述整流罩31，水滴状整流罩与文丘里渐缩管配合，以最小的压力损失，加速并调整气体流态至理想状态。
优选地，所述整流叶片32为均匀排列的一组叶片。
进一步地，所述整流叶片32的横截面为直线，沿轴向延伸设置。如此设计使得气体通过叶片间隙直接传输到整流罩31，减少涡流，强制气体沿轴向加速流动，调整气体流态的同时，最大程度减少压力损失。
为了能便于在超声流量计单元的两端进行气体输入输出，仍如图1所示，本发明还提供一种超声流量计单元F，包括外壳1、一对传感器2和整流装置3，其中，所述一对传感器2包括第一传感器21和第二传感器22，所述第一传感器21和第二传感器22分隔设置于所述外壳1内的两端；所述外壳1呈文丘里管结构；所述第一传感器21和所述第二传感器22上分别设有所述整流装置3，用于对进入所述超声流量计单元的气体流态进行调整。
如图5所示，本发明还提供一种超声流量计装置，包括阻尼箱4与上述的超声流量计单元F，其中，所述阻尼箱4呈“凹”形，包括外壳41与内腔42、内腔47；所述超声流量计单元对称设置于所述阻尼箱内腔42和内腔47的中间位置，所述超声流量计单元与所述阻尼箱4被隔板43自中部分别分隔为两部分。所述超声计量单元可穿越隔板将所述阻尼箱的两个内腔相连通，使得两个内腔中的气体只能通过所述超声计量单元相互流通。
所述阻尼箱4上距所述超声流量计单元较远的一侧设有气体入口44和气体出口46，所述气体入口44与所述内腔42连通，所述气体出口46与所述内腔47连通，气体自所述内腔42经超声流量单元F流入内腔47。该装置是对应上述进行单声道计量的超声流量计单元F而设，将流量计装入便于整流的阻尼箱4，使得气体首先进入阻尼箱4的内腔42进行气体流态均匀分布，再通过流量计的整流装置3进一步整流，使得测量能够更加精确。
当进行流量测量时，所述气体入口44、气体出口46各为一个，分别设于所述阻尼箱4的一端，所述气体入口44、气体出口46经阻尼箱内腔后与所述超声流量计单元连通。气体经入口44进入阻尼箱4的内腔42均匀分布，压力差使气体流入超声计量单元F，经多重整流，到达计量区域进行精准测量后，流入内腔47，经阻尼箱4的出口46流出，完成测量过程。
上述的装置，所述超声流量计单元装置还可包括仪表显示盘45，设于所述阻尼箱4的凹口处。该仪表显示盘45可活动安装于阻尼箱4上,以适应燃气管道内气体流动方向，方便现场安装。
由于本发明采用了超声流量计单元与装置进行流量的测量，通过阻尼箱与流量计的多重整流，其中，阻尼箱不同于目前超声流量计的外壳箱体，将流量计与已进入流量计的气体管道包裹起来，仅起到保护的作用，而是在阻尼箱内设计出气体缓冲腔体，使得气体管道不直接与流量计相连，气体从管道输出后先从阻尼箱的气体入口进入阻尼箱内腔，将气体均匀分布稳定后，再使气体进入超声流量计单元进行进一步整流并计量，从而使气体流态在计量区域达到较为理想的形态。
同时，本发明可采用单声道对流量进行准确测量，解决了背景技术因单声道中的一个传感器出现故障就失去计量功能的问题，同时解决了采用冗余备份的多声道设计方案因成本大幅增加形成的成本与冗余之间的矛盾，模块化也有利于现场快速维修维护，保证了超声计量技术在城市燃气计量领域内的广泛应用。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定，如本发明也可应用在双声道以上的流量计方案设计。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。