一种基于超声换能器的双通道超声流量计及其方法

本发明属于流量测量领域，具体涉及一种小管径双通道高精度超声流量计及其方法。

背景技术：

1、超声流量计已经在工业和民用领域中得到了广泛的应用，因为它具有体积小、可测量双向流动、无压力损失等优点。但是，传统的体压电式超声流量计体积较大，难以在小管径的流量测量中得到应用，例如半导体清洗设备和化工精密测量中的流量测量等。

2、此外，超声流量计由于信号衰减以及飞行时间极短难以准确测量等原因，普遍存在流量测量不精确的缺点。

3、超声流量计的体积和精度问题限制了其应用场景，因此，需要对上述缺点做出改进以拓宽超声流量计的应用范围。

技术实现思路

1、本发明旨在解决超声流量计难以测量小管径流量以及测量精度低的问题。提供一种基于超声换能器的双通道超声流量计及其方法。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种基于超声换能器的双通道超声流量计，包括均为平直管道且依次连通的入口段、第一测量段、稳流段、第二测量段和出口段；所述入口段和出口段同轴设置，且该轴线与稳流段轴线平行；所述第一测量段和第二测量段的轴线与稳流段轴线之间的倾斜角度相同；所述第一测量段和第二测量段的两个端部分别设有能沿所在测量段管程发射超声波的超声换能器，且每个超声换能器发出的超声波的飞行路径与流体在该测量段中的路径完全重合。

4、作为优选，所述超声换能器为微机械压电式超声换能器或体压电超声式超声换能器。

5、作为优选，所述超声换能器安装于端盖上，通过将端盖与第一测量段和第二测量段的端部螺栓连接，使超声换能器随端盖插入第一测量段或第二测量段中；所述超声换能器位置恰好处于所在测量段与其他管段连接处，使超声换能器发出的超声波的飞行路径与流体在该测量段中的路径完全重合。

6、作为优选，所述微机械压电式超声换能器由若干圆形单元排列组成；每个单元均为层状结构，由上至下依次为顶电极、压电层、底电极和基底层；所有所述顶电极并联后与输出正电极相连，所有所述底电极并联后与输出负电极相连，输出正电极和输出负电极与外部电路相连。

7、进一步的，所有所述单元排列组成一个10×10的正方形阵列。

8、进一步的，所述外部电路包括高频开关电路、放大电路和滤波电路；所述高频开关电路用于切换超声换能器的发射或接收状态；超声换能器接收到的电信号能依次经滤波电路的滤波作用和放大电路的放大作用再传输至上位机进行处理。

9、作为优选，所述第一测量段和第二测量段的流道长度和管径相同，入口段和出口段的流道长度和管径相同。

10、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面任一所述基于超声换能器的双通道超声流量计的流体流量测量方法，具体如下：

11、s1：对于第一测量段和第二测量段，利用外部激励信号分别激发同一测量段中一端的超声换能器发射超声信号，另一端的超声换能器接收超声信号；随后切换同一测量段两端的超声换能器发射和接收状态，接着将同一测量段中发射和接收的信号做互相关处理，互相关函数峰值偏移值即为超声信号飞行的时间，进而得到超声信号顺流飞行和逆流飞行的时间；将第一测量段的顺流和逆流飞行时间分别记为t11和t12，将第二测量段的顺流和逆流飞行时间分别记为t21和t22；

12、s2：根据步骤s1所得顺流和逆流的飞行时间差可以分别计算得到两个测量段中流体的流速，其中第一测量段流体的流速第二测量段流体的流速将两个测量段测得的流体流速取平均后得到流体的平均流速其中，c为超声波在液体中的速度，l为测量段流道的长度；

13、s3：通过步骤s2所得流体的平均流速和流道参数，计算得到流体的流量其中，d为测量段流道的直径。

14、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

15、1)传统的小管径超声流量计双通道采用的是单通道的设计，受流体随机扰动干扰较大，测量流量时会产生误差，而本发明采用双通道设计，两个通道取平均值，有效降低了随机误差和流体流动不平稳带来的误差。而且当两个通道测量结果差距过大时，可以判断出测量数据有误，有效排除测量的坏点。

16、2)本发明采用互相关的算法来测量超声波的飞行时间，相较于传统的阈值法测飞行时间，具有更强的抗噪声干扰能力。通过对接收和发射信号的插值处理，提高了飞行时间测量的精度，进而提高流量测量的精度。

技术特征：

1.一种基于超声换能器的双通道超声流量计，其特征在于，包括均为平直管道且依次连通的入口段(31)、第一测量段(32)、稳流段(33)、第二测量段(34)和出口段(35)；所述入口段(31)和出口段(35)同轴设置，且该轴线与稳流段(33)轴线平行；所述第一测量段(32)和第二测量段(34)的轴线与稳流段(33)轴线之间的倾斜角度相同；所述第一测量段(32)和第二测量段(34)的两个端部分别设有能沿所在测量段管程发射超声波的超声换能器(1)，且每个超声换能器(1)发出的超声波的飞行路径与流体在该测量段中的路径完全重合。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器的双通道超声流量计，其特征在于，所述超声换能器(1)为微机械压电式超声换能器或体压电超声式超声换能器。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器的双通道超声流量计，其特征在于，所述超声换能器(1)安装于端盖(2)上，通过将端盖(2)与第一测量段(32)和第二测量段(34)的端部螺栓连接，使超声换能器(1)随端盖(2)插入第一测量段(32)或第二测量段(34)中；所述超声换能器(1)位置恰好处于所在测量段与其他管段连接处，使超声换能器(1)发出的超声波的飞行路径与流体在该测量段中的路径完全重合。

4.根据权利要求2所述的一种基于超声换能器的双通道超声流量计，其特征在于，所述微机械压电式超声换能器由若干圆形单元排列组成；每个单元均为层状结构，由上至下依次为顶电极(11)、压电层(12)、底电极(13)和基底层(14)；所有所述顶电极(11)并联后与输出正电极(15)相连，所有所述底电极(13)并联后与输出负电极(16)相连，输出正电极(15)和输出负电极(16)与外部电路相连。

5.根据权利要求4所述的一种基于超声换能器的双通道超声流量计，其特征在于，所有所述单元排列组成一个10×10的正方形阵列。

6.根据权利要求4所述的一种基于超声换能器的双通道超声流量计，其特征在于，所述外部电路包括高频开关电路、放大电路和滤波电路；所述高频开关电路用于切换超声换能器(1)的发射或接收状态；超声换能器(1)接收到的电信号能依次经滤波电路的滤波作用和放大电路的放大作用再传输至上位机进行处理。

7.根据权利要求1所述的一种基于超声换能器的双通道超声流量计，其特征在于，所述第一测量段(32)和第二测量段(34)的流道长度和管径相同，入口段(31)和出口段(35)的流道长度和管径相同。

8.一种利用权利要求1～7任一所述基于超声换能器的双通道超声流量计的流体流量测量方法，其特征在于，具体如下：

技术总结
本发明公开了一种基于超声换能器的双通道超声流量计及其方法，属于流量测量领域。流量计包括均为平直管道且依次连通的入口段、第一测量段、稳流段、第二测量段和出口段；入口段和出口段同轴设置，且该轴线与稳流段轴线平行；第一测量段和第二测量段的轴线与稳流段轴线之间的倾斜角度相同；第一测量段和第二测量段的两个端部分别设有能沿所在测量段管程发射超声波的超声换能器，且每个超声换能器发出的超声波的飞行路径与流体在该测量段中的路径完全重合。本发明采用互相关的方法计算超声波在流道中顺流和逆流的飞行时间，进而处理得到流体的流量，以实现小管径流量的高精度测量。

技术研发人员：谢金,施林进
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12