专利名称：三通道超声时差流速测量方法
技术领域：
本发明涉及超声流速测量技术，特别是涉及多对超声换能器安装在已经布置在位 的管道外侧的情况下，用于提高流速测量精度的三通道超声时差流速测量方法。
背景技术：
利用超声波测量流体的流速，与其他方法比，它具有无可动部件、无压损、成本对 口径变动不敏感，因此在工业生产中具有一次投资多次、多管道测量的明显优势。目前，基于超声波时差法原理的超声波流速测量方法，以其原理简单、测量精度高 的特点，广受欢迎，成为超声波流速测量的主流。申请号为“01100097. X”名称为“超声波多通道流量测量方法”的专利申请，公开
的是同一管道截面安装多个测量通道，在不能十分精确地测量流体流动截面和由于管道是 椭圆形使管道内径偏差的情况下，该方法能增强流量测量的精度。申请号为“03114624. 4”名称为“一种小管径超声波流量测量装置及方法”的专利 申请，公开的是换能器“V”型安装方式，流速计算过程中使用了超声在流体介质中的速度， 并把它当着恒量使用，在实际工业生产过程中，超声在流体介质中的速度是随温度、介质密 度等变化而变化的，不是恒量，而是变量，因此在流速测量过程中产生了误差。申请号为“200710125204. 8”名称为“一种超声波流量检测系统及检测方法”的专 利申请，公开的是换能器“Z”型安装方式，流速计算过程中没有考虑超声在声楔材料和管壁 中的传播时间，把换能器收发时间差等同于超声在流体介质中传播的时间，因此在流速测 量过程中产生了误差。专利号为"2008200385 . 9”名称为“同步收发时差式超声波流量计”的专利申请， 公开的仍然是换能器“Z”型安装方式，在信号抗干扰方面做了改进，并采用信号同时收发， 以提高测量速度，但并未从测量原理上提高测量精度。如

图1所示，传统时差法“V”型安装
“V”型安装时，超声在声楔材料中传播速度为q、顺流时传播时间为k，逆流时传播 时间为；管壁中传播速度为，、顺流时传播时间为“2，逆流时传播时间为^r2 ；流体中 传播速度为Q、顺流时传播时间为-，逆流时传播时间为；超声顺流时收发时间差为G ，逆流时收发时间差为。。可得顺流时间为&= ^si + 2 +tS3 +iS3 +￡m +￡S1 逆、流时间为^” = iM + + +im +i-m + !
由于声楔材料与管壁处于相对静止状态，故对超声没有速度的影响。所以当超声入射 角一定时，顺、逆流时超声在声楔材料与管壁中速度与时间相等。故 = !，
权利要求
1. 一种三通道超声时差流速测量方法，其特征在于包括第一发射超声换能器(TRC) 和第一接收超声换能器(TRD)，第二发射超声换能器(TRA)和第二接收超声换能器(TRB)， 第三发射超声换能器(TRE)和第三接收超声换能器(TRF)三对超声换能器，三对超声换能 器构成三个通道；所述第一发射超声换能器(TRC)、第二发射超声换能器(TRA)和第三发射 超声换能器(TRE)的中心位于与管道的轴心线相平行的同一直线上且放置在管道一侧，所 述第一接收超声换能器(TRD)、第二接收超声换能器(TRB)和第三接收超声换能器(TRF) 的中心位于与管道的轴心线相平行的同一直线上且放置在管道另一侧；所述第二发射超 声换能器(TRA)位于第三发射超声换能器(TRE)的上游，且第一发射超声换能器(TRC)位 于第二发射超声换能器(TRA)和第三发射超声换能器(TRE)中间；所述第二接收超声换 能器(TRB)位于第三接收超声换能器(TRF)的上游，且第一接收超声换能器(TRD)位于第 二接收超声换能器(TRB)和第三接收超声换能器(TRF)中间；所述第二发射超声换能器 (TRA)位于第二接收超声换能器(TRB)的上游，所述第三接收超声换能器(TRF)位于第三 发射超声换能器(TRE)的上游，且第二发射超声换能器(TRA)和第二接收超声换能器(TRB) 间的超声信号在管道内传输的距离与第三接收超声换能器(TRF)和第三发射超声换能器 (TRE)间的超声信号在管道内传输的距离相等；所述第一发射超声换能器(TRC)和第一接 收超声换能器(TRD)的中心连线与管道中流体的流向相垂直，第一发射超声换能器(TRC)、 第二发射超声换能器(TRA)和第三发射超声换能器(TRE)同时发出信号，从第一发射超声 换能器(TRC)发射超声信号到第一接收超声换能器(TRD)接收到超声信号的时间间隔为从第二发射超声换能器(TRA)发射超声信号到第二接收超声换能器(TRB)接收到超声信号的时间间隔为^ ,从第三发射超声换能器(TRE)发射超声信号到第三接收超声换能器(TRF)接收到超声信号的时间间隔为>，从而得到顺流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差4 = 一~,逆流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差& =。一&,利用公式计 算出流体的流速ν'，所述公式为其中，4为顺流方向接收信号与垂直流向接收信号时间差、&为逆流方向接收信号与 垂直流向接收信号时间差，d为管道内径且为第一发射超声换能器(TRC)和第一接收超声 换能器(TRD)间的超声信号在管道内传输的距离，L为第二发射超声换能器(TRA)和第二 接收超声换能器(TRB)间的超声信号在管道内传输的距离或第三接收超声换能器(TRF)和 第三发射超声换能器(TRE)间的超声信号在管道内传输的距离。
全文摘要
本发明公开了一种三通道超声时差流速测量方法，包括换能器安装方式、信号时间差获取和流速计算方法，换能器采用“W”型安装；在信号时间差获取上，用两个接收信号时间差取代收发信号时间差，提高信号时间差测量精度；在计算方法上，用接收信号顺流与垂直流向的时间差和逆流与垂直流向的时间差取代收发信号间的时间差，减小流速计算误差。本发明有效地减小由于声楔材料和管壁带来的误差，提高测量时间差的精度。
文档编号G01P5/24GK102095889SQ201010563820
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月29日 优先权日2010年11月29日
发明者单鸣雷, 卞其勇, 朱昌平, 汤一彬, 韩庆邦 申请人:河海大学常州校区