带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计及测量方法

本发明属于超声波液体流量测量技术的一种超声波流量计及方法，尤其是涉及了一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计及测量方法。

背景技术：

1、目前在超声波液体流量计量领域，采用时差法的外夹式超声波液体流量计已经取得广泛应用，但是还存在以下问题：某些工况下所测液体中会出现气泡或空腔，超声波换能器接收到的超声波信号强度明显减弱，超声波信号的信噪比劣化，从而使液体流量的测定精度降低。现有的一些解决方案通常采用滤波等信号处理或附加传感器来识别和排除气泡的影响，但这些方法复杂度较高，且存在一定的局限性。多普勒方法虽然可以方便地测量气液两相流的流速，但是不能测量气泡或空腔的大小以对液体流量计进行相应的补偿。因此，现有技术缺少一种简化的、具有气泡检测和流量修正功能的超声波流量计，以提高流量测量的准确性和稳定性。

技术实现思路

1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于设计带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计及测量方法。

2、本发明技术方案如下：

3、一、一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量计：

4、流量计包括上夹钳模块、下夹钳模块和连接轴；上夹钳模块位于下夹钳模块之上，上夹钳模块底部的后端和下夹钳模块顶部的后端之间通过连接轴可活动地连接，上夹钳模块可沿着连接轴的轴线旋转地安装在下夹钳模块上，上夹钳模块底部的前端和下夹钳模块顶部的前端之间通过螺栓可活动地连接；上夹钳模块底部的中间和下夹钳模块顶部的中间均开设有条形限位槽，两个条形限位槽共同组成了柱状管道槽，待测流量的液体管道被夹持在上夹钳模块和下夹钳模块之间的柱状管道槽处；上夹钳模块和下夹钳模块中均设有与外部的数控系统连接的射频同轴接头。

5、所述的下夹钳模块包括下夹钳外壳、第一声阻抗匹配层、第一超声波换能器、第一引线和第一射频同轴接头；下夹钳外壳上部的中间开设有第一卡槽，第一声阻抗匹配层放置在下夹钳外壳的第一卡槽中，下夹钳外壳顶部的两侧均开设有横截面为半圆形的第一条形槽，下夹钳外壳下部的一侧开设有第一l形孔，第一l形孔与第一卡槽连通且第一l形孔位于第一卡槽下侧，第一超声波换能器和第一射频同轴接头分别设置在第一l形孔的里端和外端，第一超声波换能器和第一射频同轴接头之间通过第一引线连接；第一射频同轴接头通过射频连接线与外部的数控系统连接；

6、所述的第一声阻抗匹配层的上表面为弧面，第一声阻抗匹配层上表面左、右两侧的边分别高于两个第一条形槽里侧的弧线边，第一超声波换能器和第一声阻抗匹配层的下表面接触，将第一声阻抗匹配层的下表面中与第一超声波换能器接触的侧面作为第一标准侧面，第一标准侧面和第一超声波换能器的倾斜角度相同。

7、所述的上夹钳模块包括上夹钳外壳、第二声阻抗匹配层、第二超声波换能器、第三超声波换能器、第二引线、第三引线、第二射频同轴接头和第三射频同轴接头；上夹钳外壳下部的中间开设有第二卡槽，第二声阻抗匹配层放置在上夹钳外壳的第二卡槽中，上夹钳外壳底部的两侧均开设有横截面为半圆形的第二条形槽，上夹钳外壳上部的两侧分别开设有第二l形孔和第三l形孔，第二l形孔和第三l形孔的里侧分别与第二卡槽的左、右两侧连通，且第二l形孔和第三l形孔均位于第二卡槽上侧，第二超声波换能器和第二射频同轴接头分别设置在第二l形孔的里端和外端，第三超声波换能器和第三射频同轴接头分别设置在第三l形孔的里端和外端，第二超声波换能器和第二射频同轴接头之间通过第二引线连接，第三超声波换能器和第三射频同轴接头之间通过第三引线连接；第二射频同轴接头和第三射频同轴接头分别通过射频连接线分别与外部的数控系统连接；

8、所述的第二声阻抗匹配层的下表面为弧面，第二声阻抗匹配层下表面左、右两侧的边分别高于两个第二条形槽里侧的弧线边，第二超声波换能器和第三超声波换能器分别与第二声阻抗匹配层上表面的左、右两侧接触，将第二声阻抗匹配层的上表面中与第二超声波换能器接触的侧面作为第二标准侧面，将第二声阻抗匹配层的上表面中与第三超声波换能器接触的侧面作为第三标准侧面，第二标准侧面和第三标准侧面的倾斜角度分别与第二超声波换能器和第三超声波换能器的倾斜角度相同。

9、所述第一超声波换能器、第二超声波换能器和第三超声波换能器均为柱体结构，第一超声波换能器的圆形平面和水平面之间的夹角为第一典型角度γ，第二超声波换能器的圆形平面和水平面之间的夹角为第二典型角度α，第三超声波换能器的圆形平面和水平面之间的夹角为第三典型角度β。

10、所述第一条形槽横截面的半径、第二条形槽横截面的半径均等于待测液体管道的半径；下夹钳模块中的第一条形槽与上夹钳模块中的第一条形槽的数量和排布位置分布相同且槽口对齐，使得液体管道的一端设置在一个第一条形槽和一个第二条形槽之间，液体管道的另一端设置在另一个第一条形槽和另一个第二条形槽之间，液体管道的中部被夹持在第一声阻抗匹配层的上表面和第二声阻抗匹配层的下表面之间。

11、所述的第一典型角度γ的范围为30°～40°；所述第二典型角度α的范围为20°～40°；所述第三典型角度β的范围为30°～60°。

12、所述的第一超声波换能器、第二超声波换能器和第三超声波换能器采用压电陶瓷制成。

13、二、一种带气泡检测与流量修正的外夹式超声波流量测量方法，包括以下步骤：

14、步骤s1、首先上夹钳模块和下夹钳模块将待测的液体管道夹紧，利用数控系统实时采集第一超声波换能器、第二超声波换能器和第三超声波换能器中输出电信号的信号幅值：

15、若t时刻的第三超声波换能器的信号幅值不低于预设的强度阈值，则认为t时刻液体管道中没有气泡出现，转至步骤s2获得t时刻液体管道中液体的流量q；

16、若t时刻的第三超声波换能器的信号幅值低于预设的强度阈值，则认为t时刻液体管道中出现气泡，转至步骤s3获得t时刻液体管道中液体的流量q；

17、步骤s2、t时刻液体管道中液体的流量q按照以下公式处理得到：

18、q＝πd2v1/4

19、其中，d为液体管道的内径，v1为流量计利用时差法测得的流速；

20、步骤s3：利用第二超声波换能器对流量计测得的初始流量进行修正，得到修正的最终流量。

21、所述步骤s1中，利用数控系统实时采集第一超声波换能器、第二超声波换能器和第三超声波换能器中输出电信号的信号幅值具体为：

22、通过数控系统向第一超声波换能器和第三超声波换能器中交替传输电信号，第一超声波换能器接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第三超声波换能器中，第三超声波换能器接收第一超声波换能器发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中；

23、若液体管道未出现气泡，则第三超声波换能器接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第一超声波换能器中，第一超声波换能器接收第三超声波换能器发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中；

24、若液体管道中出现气泡，则第三超声波换能器接收到数控系统发出的电信号后转换成超声波传输到第一超声波换能器和第二超声波换能器中，第一超声波换能器接收第三超声波换能器发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中，第二超声波换能器接收第三超声波换能器发出的超声波后转换为电信号传输至数控系统中。

25、所述的步骤s3具体为：

26、首先利用第一超声波换能器和第三超声波换能器输出电信号的信号幅值获得t时刻气泡的横截面积s，然后按照以下公式处理得到t时刻液体管道中液体的流量q：

27、q＝(πd2/4-s)v2

28、其中，d为液体管道的内径，v2为流量计利用多普勒法测得的流速。

29、本发明的工作原理：

30、1、用于时差式流量检测的超声波换能器采用时差法对液体进行流量测量，当超声波传播方向与液体流向在同一侧时，超声波的传播会被加速，反之被减速，通过对顺逆流超声波信号进行分析可以计算出时延和液体流速，进而根据流体横截面积计算出流量。

31、2、空气与大多数液体(典型的水)之间存在巨大的声阻抗，当超声波通过两相界面时大部分被反射，只有少部分超声波透过界面沿原方向传播，因此对超声波换能器接收到的信号进行幅值强度阈值检测可以判断是否有气泡产生，更进一步通过建立阈值水平与气泡垂直于管道轴线的横截面积的关系，从而对气液两相流中液体流量进行流量修正。

32、3、当检测到气泡时用于多普勒式流量检测的超声波换能器被使用，用于多普勒式流量检测的超声波换能器采用多普勒法对液体进行流量测量，根据多普勒效应被运动气泡反射的超声波会产生多普勒频移，对通过超声波换能器接收到的超声波信号进行频谱分析可以得到相应的频移和液体流速，液体流速与修正后管道横截面积的乘积作为补偿后的液体流量。

33、因为采用了上述技术方案，能通过时差式流量检测换能器在单相流工况下用时差法对液体进行流量测量，同时对超声波换能器接收信号的强度进行阈值检测以判断气泡是否产生以及对气泡大小进行检测。当有气泡存在时通过用于多普勒式流量检测的超声波换能器对气液两相流进行流量测量，同时用用于时差式流量检测的超声波换能器测得的气泡垂直于管道轴线的横截面积对用于多普勒式流量检测的超声波换能器测得的流量进行流量修正。

34、本发明的有益效果为：

35、1、本发明的超声波流量计适应于包括液体单相流和气液两相流的多种工况，可以对气液两相流下的液体体积进行流量补偿，使流量测量结果更加精确。

36、2、本发明的超声波流量计具备高灵敏度的气泡检测能力，能够及时识别和检测流体中存在的气泡或空腔。通过准确的气泡检测，可以提前发现气泡的存在并采取相应的措施，从而避免气泡对流量计测量结果的干扰。

37、3、基于气泡检测的结果，本发明的超声波流量计还具备流量修正功能。当检测到气泡存在时，流量计会根据气泡的特性和流体的运动状态进行流量修正，以减少或消除气泡对流量测量结果的影响。通过流量修正，可以提高流量计的准确性和稳定性，确保获得可靠的流量测量数据。

38、4、本发明采用外夹式设计，即流体管道外围安装超声波传感器。这种设计使得安装和维护更加方便，不需要改变管道结构或直接接触流体，减少了对管道的干扰和介入，提高了设备的可靠性和使用寿命。