一种超声波流速测量系统、方法以及装置与流程
本发明涉及流体流速测量技术领域，特别是涉及一种超声波流速测量系统、方法以及装置。
背景技术：
在工业领域中流体管道的直管段一般不满足前四后二的要求，同时流体上游直管段存在很多干扰器件(比如阀门、弯管、变径接头等装置)，随着工况或者负荷的变化，大口径流体管道内介质流体的流场紊乱、速度场分布发生畸变、存在脉冲涡旋等现象，使得大口径管道里介质流体流速精确测量一直是技术难点。
超声波换能器是利用压电材料制作而成的器件，能够将电能转换成超声波能量，并且发射到被测流体中并被接收器接收，超声波的发射端和接收端之间也即形成了一个声道。当该声道和流体流速方向不相互垂直，即可基于超声波在该声道上从被发射到被接受的时间差，确定该声道中点位置的流体速度。
但因为流体管道内流场复杂，速度场发生畸变，因此，一般需要采用多个声道测得多个流体速度后，综合分析获得最终的流体速度，显然，要测得多个声道对应的流体速度，就需要采用多组超声波换能器，而超声波换能器的价格相对较高，这在无形中增大了流体管道内流体速度的测量成本。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种超声波流速测量系统、方法以及装置，在很大程度上降低了流体流速测量成本。
为解决上述技术问题，本发明提供一种超声波流速测量系统，包括可套接在流体管道上的环形滑道；可在所述环形滑道上滑动的超声波换能器对，所述超声波换能器对包括两个发射和接收超声波信号的超声波换能器；
所述超声波换能器对用于通过两个所述超声波换能器在所述环形滑道上的滑动在所述流体管道内形成多个和所述流体管道的中心轴距离不同的声道，并检测各个所述声道上的流体流速对应的时间差，以获得所述流体管道的横截面的流体流速。
可选地，所述环形滑道为椭圆形滑道，且所述椭圆形滑道的内环短轴和所述流体管道的外壁半径相等。
可选地，所述环形滑道为内环半径等于所述流体管道的外壁半径的圆形滑道；所述环形滑道的数量不少于两个，所述超声波换能器对的数量至少为一对；
其中，不同所述环形滑道上的两个所述超声波换能器之间形成一对超声波换能器对。
可选地，所述环形滑道的数量为两个，所述超声波换能器对的数量为两对；且两个所述环形滑道上均设置有两个所述超声波换能器。
可选地，还包括用于检测所述流体管道内流体温度、流体压力以及流体流量的温压流一体设备。
本申请还提供了一种超声波流速测量方法，包括：
采集超声波换能器对在流体管道内形成的多个不同声道检测获得的时间差，其中，所述流体管道上套接有环形滑道，所述超声波换能器对中两个发射和接收超声波信号的超声波换能器在所述环形滑道上依次移动至不同位置，形成和所述流体管道的中心轴的距离不同的各个所述声道；
根据所述时间差和流体流速之间的对应关系，确定每个所述声道对应的平均流速；
根据各个所述平均流速运算获得所述流体管道的横截面的流体流速。
可选地，采集超声波换能器对在流体管道内形成的多个不同声道检测获得的时间差，包括：
采集所述超声波换能器对形成的多个x型声道检测获得的时间差，其中，每个所述x型声道包括两个相互交叉的声道，且各个所述x型声道所在平面相互平行且均和所述流体管道的中心轴平行，各个所述x型声道和所述流体管道的中心轴距离不同。
可选地，在采集所述时间差之前，还包括：
检测所述流体管道内流体波动水平数据；
根据所述流体波动水平数据，判断所述流体的波动状态；
若是所述流体的波动状态为稳定状态，则所述采集超声波换能器对在流体管道内形成的多个不同声道检测获得的时间差，包括：
根据预先设定的各个声道位置，将所述超声波换能器对在所述环形滑道上依次移动到各个声道位置对应的位置点，并检测各个声道位置对应的所述时间差；
根据各个所述平均流速运算获得所述流体管道的横截面的流体流速，包括：
对各个所述平均流速进行加权运算，获得所述流体流速。
可选地，若是所述流体为周期性波动状态，则所述采集超声波换能器对在流体管道内形成的多个不同声道检测获得的时间差，包括：
根据预先设定的各个声道位置，将所述超声波换能器对在所述环形滑道上依次移动到各个声道位置对应的位置点，并在所述流体的波动周期中同一个周期时间点检测各个声道位置对应的所述时间差。
可选地，若所述流体的波动状态为非稳定状态，则所述采集超声波换能器对在流体管道内形成的多个不同声道检测获得的时间差，包括：
将所述超声波换能器对依次滑动至所述环形滑道上的多个不同位置，分别形成多个相互平行的所述x型声道，且各个所述x型声道之间的间距不大于预设间距；
根据各个所述平均流速运算获得所述流体管道的横截面的流体流速，包括：
基于横截面流速公式
本申请还提供了一种超声波流速测量装置，包括：
采集模块，用于采集超声波换能器对在流体管道内形成的多个不同声道检测获得的时间差，其中，所述流体管道上套接有环形滑道，所述超声波换能器对中两个发射和接收超声波信号的超声波换能器在所述环形滑道上依次移动至不同位置，形成和所述流体管道的中心轴的距离不同的各个所述声道；
第一运算模块，用于根据所述时间差和流体流速之间的对应关系，确定每个所述声道对应的平均流速；
第二运算模块，用于根据各个所述平均流速运算获得所述流体管道的横截面的流体流速。
本发明所提供的一种超声波流速测量系统，包括可套接在流体管道上的环形滑道；可在环形滑道上滑动的超声波换能器对，超声波换能器对包括两个发射和接收超声波信号的超声波换能器；超声波换能器对用于通过两个超声波换能器在环形滑道上的滑动在流体管道内形成多个和流体管道的中心轴距离不同的声道，检测各个声道上的流体流速对应的时间差，以获得流体管道的横截面的流体流速。
本申请中所提供的超声波流速测量系统中，包含有可以套接在流体管道上的环形滑道，且超声波换能器对可在环形滑道上滑动，相应地，当超声波换能器对在环形滑道上的位置不同，即可形成不同的声道，也即是说一对超声波换能器即可实现多个不同声道的流速测量，相对于现有技术中在流体管道外周部设置大量的超声波换能器，以实现对多个声道的测量而言，本申请中能够在保证测量精度的技术上，减少超声波换能器的使用数量，进而在很大程度上降低测量成本。
本申请中还提供了一种超声波流速测量方法和装置，具有上述有益效果。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为时差法超声波流速测量的原理示意图；
图2为现有技术中时差法超声波流速测量的超声波换能器的布局示意图；
图3为本申请实施例提供的超声波流速测量系统的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的环形滑道的结构示意图
图5为本申请实施例提供的超声波流速测量方法的流程示意图；
图6为本申请实施例提供的超声波流速测量方法的另一流程示意图；
图7为本申请实施例提供的超声波流速测量装置的框架结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1为时差法超声波流速测量的原理示意图，在流速为v的被测介质上、下游分别装有超声波换能器a和b，超声波换能器a发射的超声波，经过被流体调制后，被超声波换能器b接收，传播时间记为t顺；反过来，超声波换能器b发超声波换能器a收，可以得到t逆。已知l为两个t顺之间距离，c代表声速，v代表流体流速，θ为声道与管道10的中心轴线之间的夹角。两个声道对两个超声波从发送到接收的时长之间的时间差可表示为：
但是因为管道10内的介质流体可能存在流程紊乱、速度场分布发生畸变以及脉冲旋涡等现象，导致仅仅采用一对超声波换能器测量获得的平均速度不足反应整个横截面的平均流速。因此，如图2所示，目前常规的利用时差法超声波流速测量，往往会在管道10外侧面上布置多对超声波换能器11，根据各对超声波换能器11确定的多个平均流速综合获得流体横截面的平均流速。
尽管设置更多对超声波换能器11能够更准确的测得流体流速，但是超声波换能器11的价格昂贵会导致整个测量系统的成本升高。并且对于流场变化复杂的流速测量，所需要的超声波换能器11对越多，显然，这并不利用时差法超声波流速测量的广泛应用。
为此，本申请中提供了一种在保证测量精度的基础上，降低时差法超声波流速测量的测量成本的技术方案。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，图3为本申请实施例提供的超声波流速测量系统的结构示意图，该系统可以包括：
可套接在流体管道10上的环形滑道12；可在环形滑道12上滑动的超声波换能器对，超声波换能器对包括两个发射和接收超声波信号的超声波换能器11；
超声波换能器对用于通过两个超声波换能器11在环形滑道上的滑动在流体管道10内形成多个和流体管道10的中心轴距离不同的声道，并检测各个声道上的流体流速对应的时间差，以获得流体管道10的横截面的流体流速。
参考图3，套接在流体管道10上的环形滑道12有两个，每个环形滑道12上均设置有两个超声波换能器11，且每个超声波换能器11均可以在环形滑道12上沿着流体管道10的外侧面滑动。可以将4个超声波换能器11滑动至同一水平面上，那么4个超声波换能器11即可形成相互交叉的两个声道，且两个声道构成x型结构。那么基于这两个声道即可测得两个平均流速。再将4个超声波换能器11整体上下平移相同的高度，同样形成两个相互交叉的声道，但声道相对于流体管道10的中心轴的距离发生改变，按照相同原理，同样可测得两个平均流速，以此类推，将超声波换能器11滑动至环形滑道12上不同位置时可测的声道和流体管道10中心轴相距各个不同距离时，对应的各个声道的平均流速，基于多个声道的平均流速进行综合分析，即可获得流体管道10横截面的平均流速。
由此可见，本实施例中提供的超声波流速测量系统中，通过在待测流速的流体管道10上套接环形滑道12，并通过滑动环形滑道12上的超声波换能器11位置，即可实现多个不同声道上的流体平均流速的测量，相对于现有技术中，环绕整个流体管道设置大量超声波换能器11以实现多声道的平均流速的检测的方式而言，本申请中以环形滑道12上设置可滑动的超声波换能器11同样可测得多个不同位置声道的平均流速，并且在很大程度上减少了超声波换能器11的数量，也就在很大程度上降低了测量流体管道10内流体流速的成本。
可以理解的是，图3所示的环形滑道12和超声波换能器11的设置方式仅仅是本申请的一种具体的实施方式。在实际应用中环形滑道12和超声波换能器11还存在多种不同的设置方式。
在图3中，环形滑道12为圆形轨道，且环形滑道12内径和流体管道10外壁半径相同，且两个环形滑道12平行设置，且每个环形滑道12上均设置有两个超声波换能器，形成两对超声波换能器对。但在实际应用中，环形滑道12上并不必然设置两对超声波换能器11。例如可以在每个环形滑道12上各设置一个超声波换能器11。先将两个超声波换能器11分别滑动到位置a1、和位置b2，实现位置a1和位置b2之间的声道测量，再将两个超声波换能器11分别滑动到位置a2和位置b1，实现位置a2和位置b1之间声道的测量。显然，位置a1和位置b2之间的声道与位置a2和位置b1之间的声道相当于两个相互交叉的x型声道。同理，在按照类似方式可以实现距离流体管道10其他间距的x型声道的检测。
因为图3中是以流体管道10为水平放置为例进行说明的，在实际应用过程中，只要x型声道所在平面和流体管道10中心轴平行即可。
对于环形滑道12上的超声波换能器11，可以是一对也可以是两对，也不排除两对以上的超声波换能器11，均能够实现本申请的技术方案，但是超声波换能器11的对数越多，成本相对更高，但测量效率更高，可以同时进行多声道的流速测量。因此在实际应用过程中，超声波换能器11的实际对数，可以根据实际需要来选择，对此本申请中不做限制。
由此可见，在本申请的一种可选地实施例中，环形滑道12可以为内环半径等于流体管道的外壁半径的圆形滑道；环形滑道12的数量不少于两个，超声波换能器11对的数量至少为一对；且不同环形滑道12上的两个超声波换能器11之间形成一对超声波换能器对。
可选地，本申请中的环形滑道12也并不必然是圆形滑道，还可以是椭圆形滑道。
在本申请的一种可选地实施例中，环形滑道12为椭圆形滑道，且椭圆形滑道的内环短轴和流体管道10的外壁半径相等。那么当椭圆形滑道套接在流体管道10上时，该椭圆形滑道所在的平面应当和流体管道10的中心轴呈小于90度的锐角。
此时，该椭圆形滑道的数量可以仅仅只有一个，且该椭圆形滑道上超声波换能器11对也可以只有一对。且两个超声波换能器11可以关于椭圆形滑道的短轴对称设置，形成一个声道实现一个平均流速的测量后，再将椭圆形滑道以短轴为旋转中心轴旋转，当椭圆形滑道再次和流体管道10贴合时，两个超声波换能器11的声道和椭圆形滑道旋转前的声道相互交叉，且和流体管道10的中心轴距离相等。按照上述方式实现两个平均流速测量后，可以将两个超声波换能器11均上下移动一定距离，依次进行不同高度声道的测量。
可以理解的是，该椭圆形滑道上设置的超声波换能器11的数量并不仅限于一对，还可以包括多对，对此本申请中不做具体限制。
进一步地，对于椭圆形滑道的数量也并不仅限于设置一个，可以设置两个相同的椭圆形滑道交叉设置，且两个椭圆型滑道的短轴共轴。每个椭圆形滑道上均至少设置一对超声波换能器11，通过移动各个椭圆形滑道上的超声波换能器11的位置也即可以实现多声道的流速测量。
对于椭圆形滑道和圆形滑道，其区别在于，椭圆形滑道因为所在平面和流体管道10的中心轴之间呈锐角，因此同一椭圆形滑道上的两个超声波换能器11之间形成一个声道，而圆形滑道上因为所在平面和流体管道的中心轴垂直，因此，不同圆形滑道上的两个超声波换能器11之间可以形成一个声道。当然，本申请中也并不排除不同的椭圆形滑道上的两个超声波换能器11之间形成一个声道的实施例，仅仅只要保证该声道穿过介质流体，且和介质流体的流动方向不相互垂直即可。
需要说明的是，上述各个实施例中主要是以流体管道10的横截面为圆形的管道为例进行说明的。在实际应用过程中，并不排除需要测量的介质流体在横截面为正方形、长方形或者其他形状的管道中流通。那么相应地，环形滑道12的形状也应当做适应性调整，例如，如果流体管道的横截面为正方形，相应地，环形滑道12可以是正方形滑道或者是长方形滑道，还有类似的实现方式本申请中不再一一列举。
如前所述，根据超声波换能器测得的时间差计算对应的平均流速时，涉及到的比例系数k1大小也是流体温度和压力大小相关的，因此，为了进一步地提高流体流速的测量精度，本申请的超声波流速测量系统还可以进一步包括：
用于检测流体管道内流体温度、流体压力以及流体流量的温压流一体设备。
该稳压流一体设备可以测得流体管道内某一点的流体温度、流体压力以及流体流量，根据流体温度和流体压力可以确定更为准确的比例系数k1，进而提高流速计算的精度。而流体流量则是反应流体管道内流场的复杂程度，如果流体流场变化过于复杂，则可以将超声波换能器的测量位置点设置的更为密集，以测得更多组平均速度，进而最终获得最能反应流体流速大小的平均流速，反之，如果流体流场较为稳定，则可以适当减少测量流速的声道数量。由此可见本实施例中的温压流一体设备，能够为平均流速的计算，以及如何选择超声波换能器的测量点提供了数据依据。
基于上述任意实施例，对于环形滑道10上的超声波换能器11的滑动，可以采用手动滑动，为此，可以在环形滑道10上设置刻度尺，基于该刻度尺即可确定出每对超声波换能器11之间的声道相对于流体管道10的中心轴的距离。该刻度尺可以是以相对于起始位置点的圆心角、相对于起始位置的弧长等方式进行标注，还可以直接标注和流体管道10的中心轴的距离，对此本申请中不做具体限制。
当然对于超声波换能器11除了可以手动滑动之外，还可以采用驱动装置滑动。将超声波换能器11上连接驱动装置即可。
考虑到对于需要测量的介质流体对应的流体管道10粗细可能根据实际管道的情况各不相同，为了提高超声波流速测量系统在使用过程中的适应性，可以将环形滑道10设置成半径大小可调的滑道，以适应多种不同尺寸的流体管道。例如，该环形滑道可以设置成多段可拼接的结构，在实际应用时，可以根据流体管道10的尺寸拼接合适大小的环形管道。
在本申请的一种可选地实施例中，参考图4，图4为本申请实施例提供的环形滑道的结构示意图，该环形滑道12可以包括条形柔性滑道121和扣合结构122；
当条形柔性滑道121环绕流体管道10时，扣合结构122用于将条形柔性滑道121相互接头的部位扣合连接，以使条形柔性滑道121形成环形结构。
如图4所示，该扣合结构122可以是和条形柔性滑道121一端固定连接的扣环结构，条形柔性滑道121的另一端可以贯穿穿过该扣环结构中，显然条形柔性滑道121的端部穿过该扣环结构的长短可以直接调节形成的环形结构的大小。
当然，图4中示出本申请中一种可实现的实施例，在实际应用过程中，扣合结构122和条形柔性滑道121的结构还可以存在多种不同的实施例，在此不一一列举。
另外对于条形柔性滑道而言，形成的环形滑道形状显然可以根据流体管道确定，进一步地提升了环形滑道的适用性。
基于上述任一项所述的超声波流速测量系统，本申请中还提供了一种超声波流速测量方法，如图5所示，该测量方法可以包括：
s11：采集超声波换能器对在流体管道内形成的多个不同声道检测获得的时间差。
其中，流体管道上套接有环形滑道，超声波换能器对中的两个发射和接收超声波信号的超声波换能器超声波换能器在环形滑道上依次移动至不同位置，形成和流体管道的中心轴的距离不同的各个声道。
参考如上任意实施例中超声波流速测量系统中的超声波换能器在环形滑道上移动进而形成多个不用的声道，对此本实施例不详细说明。
可选地，在测量流体管道的同一位置横截面的流速时，可以是采集超声波换能器对形成的多个x型声道检测获得的时间差，其中，每个x型声道包括两个相互交叉的声道，且各个x型声道所在平面相互平行且均和流体管道的中心轴平行，各个x型声道和流体管道的中心轴距离不同。
当然，本申请中也并不排除各个x型声道之间不完全相互平行的测量方式。例如，对于距离流体管道中心轴为一特定距离时，可以形成多个不相互平行的x型声道，测得这对这一特定距离的多个平均流速，进而提高基于各个平均流速获得流体管道横截面流速的准确性。
s12：根据时间差和流体流速之间的对应关系，确定每个声道对应的平均流速。
时间差和流体流速之间的对应关系也即是v＝k1*δt，其中，k1为
考虑到，比例系数k1中的声速c会随着流体温度和压力产生变化，因此，可以根据对流体管道内的流体温度和流体压力进行检测，并基于流体温度和流体压力对声速进行修正，最终获得更为准确的流体流速值。
s13：根据各个平均流速运算获得流体管道的横截面的流体流速。
本实施例中通过移动设置在环形滑道上的超声波换能器，使得超声波换能器对之间形成的声道和流体管道的中心轴的距离各不相同。进而基于各个不同距离对应的声道的流体流速平均至获得流体管道横截面的平均流速。无需采用大量的超声波换能器设置在流体管道的外表面，在一定程度上提高了流体管道内介质流体流速的测量成本。
基于上述实施例，为了进一步地提升测量流体流速的准确性，如图6所示，本申请还提供了另一种测量流体管道内介质流体流速的方法，该方法可以包括：
s21：检测流体管道内流体波动水平数据。
可以采用差压式皮托管流量计检测采集流体管道内某一点流量变化情况确定管道内流体波动水平。
s22：根据流体波动水平数据，判断流体的波动状态。
s23：若流体为稳定状态，根据预先设定的各个声道位置，将超声波换能器在所述环形滑道上依次移动到各个声道位置对应的位置点，并检测各个声道位置对应的时间差，进入s25。
因为流体流场较为稳定，选取若干个声道位置依次进行测量即可。
s24：若流体为周期性的波动状态，根据预先设定的各个声道位置，将超声波换能器对在环形滑道上依次移动到各个声道位置对应的位置点，并在流体的波动周期中同一个周期时间点检测各个声道位置对应的时间差，进入s25。
需要说明的是，对于稳定状态和周期性波动状态的流体，各个声超声波换能器对在环形哈道上移动的位置可以是完全相同的。但是为了避免周期性波动的流体在进行时间差检测时，流体波动产生干扰，可以在每个波动周期内同一周期时间点测量。例如，可以在各个波动周期内的1/4t或者1/2t的时间点对该时间差进行检测。
s25：根据各个时间差确定每个声道对应的平均流速，并对各个平均流速进行加权运算，获得所述流体流速。
对各个平均流速加权运算时，对应的权重系数可以参照gauss-legendre方案或owirs方案设定权重系数，对此，本实施例中不再过多赘述。
s26：若流体的波动状态为非稳定状态，将超声波换能器对依次滑动至环形滑道上的多个不同位置，分别形成多个相互平行的x型声道，且各个x型声道之间的间距不大于预设间距。
在实际操作过程中，可以控制x型声道沿垂直于x型声道所在平面垂直的方向逐次移动，每移动预定间距，即可测得两组时间差，再继续移动预定间距，重新测得一组时间差，如此反复即可测得流体管道的整个横截面的多组时间差。每次一定的预定间距可以根据实际需要进行调整，但该预定间距应当尽可能的小，以提高检测精度。
s27：基于横截面流速公式，结合各个平均流速，获得流体管道的横截面流速。
该横截面流速公式可以为：
本申请中针对流体管道内流体波动的不同状态采用不同的检测方式，能够在一定程度上避免流体波动对流体流速测量带来的干扰，在很大程度上提升的流体流速测量的准确性。
下面对本发明实施例提供的超声波流速测量装置进行介绍，下文描述的超声波流速测量装置与上文描述的超声波流速测量方法可相互对应参照。
图7为本发明实施例提供的超声波流速测量装置的结构框图，参照图7的超声波流速测量装置可以包括：
采集模块100，用于采集超声波换能器对在流体管道内形成的多个不同声道检测获得的时间差，其中，所述流体管道上套接有环形滑道，所述超声波换能器对中两个发射和接收超声波信号的超声波换能器在所述环形滑道上依次移动至不同位置，形成和所述流体管道的中心轴的距离不同的各个所述声道；
第一运算模块200，用于根据所述时间差和流体流速之间的对应关系，确定每个所述声道对应的平均流速；
第二运算模块300，用于根据各个所述平均流速运算获得所述流体管道的横截面的流体流速。
本实施例的超声波流速测量装置用于实现前述的超声波流速测量方法，因此超声波流速测量装置中的具体实施方式可见前文中的超声波流速测量方法的实施例部分，例如，采集模块100，第一运算模块200，第二运算模块300，分别用于实现上述超声波流速测量方法中步骤s11至s13，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再赘述。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
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