一种用于测流的超声传感器布置方法
阅读说明：本技术 一种用于测流的超声传感器布置方法 (Ultrasonic sensor arrangement method for flow measurement ) 是由 张力新 陈辉 严学智 朱向娜 李德海 冯宪奎 张勇 杜长征 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于测流的超声传感器布置方法,属于超声测流和传感器技术领域。技术方案是：一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与多个下游侧超声传感器匹配,一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与多个上游侧超声传感器匹配,多个上游侧超声传感器与多个下游侧超声传感器相互匹配,发射和接收超声波,形成的超声测量声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和。本发明大大减少了超声传感器的数量,更有利于提高测量精度。(The invention relates to an arrangement method of ultrasonic sensors for flow measurement, and belongs to the technical field of ultrasonic flow measurement and sensors. The technical scheme is as follows: an upstream side ultrasonic sensor is matched with a plurality of downstream side ultrasonic sensors in the beam width range, a downstream side ultrasonic sensor is matched with a plurality of upstream side ultrasonic sensors in the beam width range, the plurality of upstream side ultrasonic sensors and the plurality of downstream side ultrasonic sensors are matched with each other, ultrasonic waves are transmitted and received, and the number of ultrasonic measurement sound paths is larger than or equal to the sum of the number of the ultrasonic sensors on the pipe section body. The invention greatly reduces the number of the ultrasonic sensors and is more beneficial to improving the measurement precision.)
技术领域
本发明涉及一种用于测流的超声传感器布置方法，可应用于各种超声测流设备，用于解决各种超声测流设备在准确计量、适应复杂流态、优化多声路超声传感器布置等问题，属于超声测流和传感器技术领域。
背景技术
目前，超声测流设备主要包括超声水表、超声热量表和超声流量计(含液体及气体流量计)。如果按超声传感器布置后所形成的声路数分类，可分为单声路和多声路（2声路及以上）超声测流设备；无论是单声路和多声路超声测流设备，布置的超声传感器数量与最终声路数量的比例关系基本均为2：1的关系，即每一个声路由两个超声传感器组成，这是一个恒定的正比例关系。为了适应现场复杂的流态工况及追求高精度测量要求，已有技术的唯一的办法就是增加声路的数量，例如：从单声路到双声路，然后再增加至4声路、8声路、18声路等。由于声路数量的增多，声路数量与超声传感器的数量的比例关系是1:2，就是声路数量越多，超声测流设备上所布置的超声传感器也越多，已有技术存在的问题是：由于一个超声测流设备上所布置的超声传感器数量众多，众多的超声传感器均需要布置在同一个管段体上，使得布置超声传感器的管段体本身结构也越来越复杂，加工精度也越来越严格，生产成本越来越高，对于超声测流设备的组装要求也越来越高，难度越来越大；并且声路数量是受管段体的管径限制的，在超声传感器尺寸不变的情况下，如果管段体口径较小，在管段体上布置较多超声传感器是不现实的。
发明内容
本发明目的是提供一种用于测流的超声传感器布置方法，优化超声传感器布置方式，改变超声传感器与声路数的恒定比例关系，实现了同一管段体上有效声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和；大大减少了超声传感器的数量，同时也减少了因复杂流态对测量精度的影响，解决已有技术存在的上述问题。
本发明的技术方案是：
一种用于测流的超声传感器布置方法，超声测流设备的管段体上布置多个超声传感器，超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器。上游侧超声传感器的数量与下游侧超声传感器的数量相等，多个上游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上，多个下游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上；将管段体上每个超声传感器简化为一个点，多个上游侧超声传感器沿管段体圆周顺序用直线连接，形成一个正多边形A；多个下游侧超声传感器也沿管段体圆周顺序连接后也形成一个与正多边形A相同的正多边形B，两个多边形以管段体中心为轴线同轴布置，正多边形A和正多边形B相互平行，以管段体中心轴线为转轴进行旋转，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个上游侧超声传感器匹配，多个上游侧超声传感器与多个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成的超声测量声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和。
所述旋转，即：完全相同的正多边形A和正多边形B沿管段体中心轴线平移后，正多边形B相对于正多边形A沿管段体径向进行旋转，该旋转以管段体中心轴线为转轴进行。
旋转分为两种情况：
1、所述正多边形B旋转的距离为正多边形B边长的一半，即：正多边形A的某一点（超声传感器）位于对应的正多边形B两点连线的中线上；这样，形成的所有超声测量声路路径长度相等，便于实际检测和软件处理。
2、所述正多边形B旋转一定角度，正多边形A的某一点（超声传感器）不位于对应的正多边形B两点连线的中线上，形成的所有超声测量声路路径长度不相等。
所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用对发方式实现。
所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用通过管段体内壁或反射体进行反射式的方式实现。
一种用于测流的超声传感器布置方法，超声测流设备的管段体上布置多个超声传感器，超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器。上游侧超声传感器的数量与下游侧超声传感器的数量相等，多个上游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上，多个下游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上；将管段体上每个超声传感器简化为一个点，多个上游侧超声传感器沿管段体圆周顺序用直线连接，形成一个正多边形A；多个下游侧超声传感器也沿管段体圆周顺序连接后也形成一个与正多边形A相同的正多边形B，两个多边形以管段体中心为轴线同轴布置，正多边形A和正多边形B相互平行，完全相同的正多边形A和正多边形B沿管段体中心轴线平移，不旋转，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与至少两个上游侧超声传感器匹配，多个上游侧超声传感器与多个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成的超声测量声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和。
上述方式形成的所有超声测量声路路径长度不相等。
所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用对发方式实现。
所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用通过管段体内壁或反射体进行反射式的方式实现。
本发明突出优点是：制作工艺简单，操作方便，降低了安装制作的难度，提高测量精度有保证。
所述超声传感器波束宽度即锐角度θ0，是指主波束两侧出现的第一个极小值之间的夹角。其计算公式为：θ0=2arc sin（0.61λ/a）（式中λ为超声波波长，a为圆形压电陶瓷片半径）。
所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用对发方式实现，例如：对发的Z方式。所述上游侧超声传感器与下游侧超声传感器之间发射和接收，采用通过管段体内壁或反射体进行反射式的方式实现，例如：反射式的V方式。
本发明的积极效果主要有以下几点：
A：改变了声路数与超声传感器恒定比例关系。实现了同一管段体上有效声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和，对于多声路测流设备成倍地减少了超声传感器数量，进而实现了相对口径较小的管路多声路测量。
B：由于超声传感器布置方法的优化，所形成的各超声测量声路立体、交叉式分布于被测管道中，更全面的捕捉流态畸变，达到相互补偿流速偏移的效果。更加有利于管道中真实的流速分布测量。
C：各声路的声路长度及布置相对于管段体中心轴线对称，可沿管段体中心轴线任意旋转而不影响管道内被测介质流量的测量，有利于测流设备整体结构灵活布置。
本发明的超声传感器布置方法使得超声传感器布置灵活、方便，改变了有效声路数与超声传感器之间恒定的数量比值关系，在保证同样的有效声路数量的情况下，减少了超声传感器数量，解决了因管段体口径限制而布置不了较多声路的难题；同时，本发明的超声传感器布置方法使得各超声测量声路立体、交叉式分布于被测管道中，并且沿管段体轴线是完全对称的，可沿管段体中心轴线任意旋转而不影响管道内被测介质流量的测量，更全面的捕捉流态畸变，达到相互补偿流速偏移的效果，有效地提高了测量精度。
附图说明
图1为现有技术单声路结构示意图；
图2为现有技术单声路轴向方向观测声路传播示意图；
图3为现有技术多声路结构一示意图；
图4为现有技术多声路结构一轴向方向观测声路传播示意图；
图5为现有技术多声路结构二示意图；
图6为现有技术多声路结构二轴向方向观测声路传播示意图；
图7为本发明实施例一结构示意图；附图中的上下游侧传感器连接后为正六边形，二者沿管段体轴线对称旋转布置；
图8为本发明实施例一结构剖视图；为实施例一沿某一声路传播面剖开示意图，可看出一侧某一超声传感器可分别与另一侧对应的两个超声传感器进行超声波发射（接收），各声路长度均相等；
图9为本发明实施例一结构一轴向方向观测声路传播示意图；为实施例一沿轴线方向投影后，各声路传播示意图。可看出，各声路是立体、交叉式布置，且各声路长度均相等；
图10 为实施例一将各超声波传感器简化成点后所形成的传播示意线图（正六边形）；本实施例上下游超声传感器为沿管段体轴线对称旋转；
图11 为实施例一将各超声波传感器简化成点后沿管段体轴线方向观测各超声传感器位置关系示意线图（正六边形）；
图12 为实施例二将各超声波传感器简化成点后所形成的传播示意线图（正六边形）；本实施例上下游超声传感器为沿管段体轴线不旋转，即下游侧传感器为上游侧传感器沿管段体轴线平行移动一定距离后布置；
图13为按图12布置方案将各超声波传感器简化成点后沿管段体轴线方向观测各超声传感器位置关系示意线图（正六边形）；
图14为实施例三将各超声波传感器简化成点后所形成的传播示意线图（正八边形）；上下游超声传感器为沿管段体轴线对称旋转；
图15为实施例四将各超声波传感器简化成点后V方式传播所形成的传播示意线图（正六边形）上下游超声传感器为沿管段体轴线对称旋转;
图中：管段体1、超声传感器2。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
一种用于测流的超声传感器布置方法，超声测流设备的管段体上布置多个超声传感器，超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与多个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与多个上游侧超声传感器匹配，多个上游侧超声传感器与多个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成的超声测量声路数大于等于该管段体上超声传感器数量总和。
参照附图，附图1、图2为已有技术的单声路结构示意图；两个传超声感器构成一个测量声路。图3、图4为已有技术多声路测量示意图，声路位于圆管上弦测量，共计8声路，16只超声传感器。图5、图6为已有技术多声路测量示意图，声路过中心直径测量，4声路，8只超声传感器。已有技术的测量声路数量不可能大于或等于超声传感器数量。
实施例一，参照附图7、图8、图9、图10、图11，12声路，12只超声传感器。
超声测流设备的管段体上布置12个超声传感器，超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个上游侧超声传感器匹配，六个上游侧超声传感器与六个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成12个超声测量声路数，等于该管段体上超声传感器数量总和。
上游侧超声传感器的数量与下游侧超声传感器的数量相等，六个上游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上，六个下游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上；将管段体上每个超声传感器简化为一个点，六个上游侧超声传感器沿管段体圆周顺序用直线连接，形成一个正六边形A；六个下游侧超声传感器也沿管段体圆周顺序连接后也形成一个与正六边形A相同的正六边形B，两个正六边形以管段体中心为轴线同轴布置，正六边形A和正六边形B相互平行，以管段体中心轴线为转轴进行旋转，超声传感器在其波束宽度范围内与两个超声传感器匹配。
形成的所有超声测量声路路径长度相等。
当上游侧超声传感器S1作为发射端，分别与对称斜对应的下游侧超声传感器X3和X4进行超声波发射和接收，同理上游侧超声传感器S2和下游侧超声传感器X4和X5；上游侧超声传感器S3和下游侧超声传感器X5和X6，以此类推，S4和X1和X6，S5和X1和X2，S6和X2和X3。同样，当下游侧超声传感器作为发射端上游侧超声传感器作为接收端时，也是同样的收、发顺序。
实施例二，参照附图12、13。12声路，12只超声传感器。
上游侧超声传感器的数量与下游侧超声传感器的数量相等，六个上游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上，六个下游侧超声传感器布置在管段体的同一截面上；将管段体上每个超声传感器简化为一个点，六个上游侧超声传感器沿管段体圆周顺序用直线连接，形成一个正六边形A；六个下游侧超声传感器也沿管段体圆周顺序连接后也形成一个与正六边形A相同的正六边形B，两个六边形以管段体中心为轴线同轴布置，正六边形A和正六边形B相互平行，仅仅是完全相同的正多边形A和正多边形B沿管段体中心轴线平移，不以管段体中心轴线为转轴进行旋转，超声传感器分别与另一侧正对应及侧对应的超声传感器构成有效声路。
形成的所有超声测量声路路径长度不相等。
实施例三，参照附图14。16声路，16只超声传感器。
超声测流设备的管段体上布置16个超声传感器，超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个上游侧超声传感器匹配，八个上游侧超声传感器与八个下游侧超声传感器相互匹配，发射和接收超声波，形成16个超声测量声路数，等于该管段体上超声传感器数量总和。
形成的所有超声测量声路路径长度相等。
实施例四，参照附图15。12声路，12只超声传感器，采用V方式发射。
超声测流设备的管段体上布置12个超声传感器，超声传感器按在管段体上的布置位置分为上游侧超声传感器和下游侧超声传感器，一个上游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个下游侧超声传感器匹配，一个下游侧超声传感器在其波束宽度范围内与两个上游侧超声传感器匹配，六个上游侧超声传感器与六个下游侧超声传感器相互匹配，通过管段体内壁反射方式进行发射和接收超声波，形成12个超声测量声路数，等于该管段体上超声传感器数量总和。
形成的所有超声测量声路路径长度相等。