CN115096389A - 基于零点实时补偿的管道流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于零点实时补偿的管道流量测量方法，采用超声波流量计进行测量，采用V法安装将超声波流量计的互为收发的上、下游的两个换能器固定设置于管道管壁的同一侧，确保换能器可以收到L波和S波；分别对L波和S波测量上游飞行时间和下游飞行时间，对L波求得超声波信号在管壁中上下游的飞行时间Δt₁和Δt₂，将经过滤波的Δt₁和Δt₂进行零点校正，并得到校正后的精确流量；对所测流量Q进行卡尔曼滤波，进一步降低随机扰动对流量的干扰。本发明旨在通过对L波进行零点测量，校正S波所测实际流量的零点漂移。与其它方法不同，本方法利用L波不经过水的特点，克服了在实际工况中管道内水流动的情况下标定零点的难题，从而提高流量计测量精度。

Description

基于零点实时补偿的管道流量测量方法

技术领域

本发明涉及采用超声波对输送管道内部流体的流量进行实时、高精度测量的技术领域，尤其是涉及一种基于零点实时补偿的管道流量测量方法。

背景技术

随着各领域的技术革新，能源运输和供水供热等应用领域对流量测量需求的牵引，使得流量计的使用量迅速增长。传统电磁流量计对工业流体流量进行测量时，受管道和流量计自身工作要求的限制，存在着安装难度较大、成本过高以及需要入管测量等缺点。而超声波流量计可以通过外夹式测量方法即在管道外侧安装，不会带来管道内环境损伤和能量损耗等问题，且相较于传统流量计成本更低。

时差法超声波流量计简单快速，通过测量S波顺流逆流的时间计算出管道内流量。其中，顺流和逆流的飞行时间差直接决定了时差式超声波流量计系统的测量精确度。因此准确地计算出飞行时间是整个测量系统需要处理的关键问题。在实际应用中，由于超声波换能器本身的工艺水平、电路线阻和安装手法均存在随机误差，超声波探头一般会存在一个稳定存在的零点误差，这个误差会直接导致流量计精度降低。针对这一问题，传统解决手段是在静水状态下，标定超声波探头零点。但在实际应用中，不同的管径、安装位置、安装角度和安装手法均会产生不同的零点误差，另外在实际工况中一般不具备停水标定静态零点的条件。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种在管道内水流正常流动即不断流的情况下，利用管壁中超声波不经过管道内水介质的特点，通过对管壁内L波测试静态零点并用于入水S波零点误差校正，从而动态减小静态误差，提高流量计精度的测量方法。

技术方案具体为：

基于零点实时补偿的管道流量测量方法，采用超声波流量计进行测量，并采用如下步骤：

步骤一：采用V法安装将超声波流量计的互为收发的上、下游的两个换能器固定设置于管道管壁的同一侧，确保换能器可以收到L波和S波；

步骤二：分别对L波和S波测量上游飞行时间和下游飞行时间，根据下式(1)得到校正后的流量：

其中，t₁和t₂分别为两个换能器利用S波测得的上下游飞行时间，Δt₁和Δt₂分别为两个换能器利用L波测得的上下游飞行时间，D为管道内径，θ为发射角度，K为线流速转化为面流速的补偿系数；

在步骤二中，零点实时补偿的具体实施过程为：

(1)对L波求得超声波信号在管壁中上下游的飞行时间Δt₁和Δt₂；

(2)Δt₁和Δt₂分别使用如下式(2)进行滤波：

(3)将经过滤波的Δt₁和Δt₂代入公式1进行零点校正，并得到校正后的精确流量；

步骤三：对所测流量Q进行卡尔曼滤波，进一步降低随机扰动对流量的干扰。

本发明旨在通过对L波进行零点测量，校正S波所测实际流量的零点漂移。与其它方法不同，本方法利用L波不经过水的特点，克服了在实际工况中管道内水流动的情况下标定零点的难题，从而提高流量计测量精度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为V法工作原理示意图，其中以V法为例展示了换能器安装方式和超声波信号的发射路径。

图2为换能器回波信号示意图，展示了L波和S波的前后位置关系，其中t_L和t_S分别为L波和S波的起始测量时间。

具体实施方式

超声波在同一种均匀介质中的传播速度相对稳定。如图1所示，在管道测流量的过程中，声波首先进入换能器A所在侧管壁，在管壁和水流的交界面发生反射和折射，反射波(L波)在管壁中传播，经过数次反射后到达同侧的另一个换能器B，折射波(S波)进入水中到达对侧管壁内壁面经过一次反射后到达换能器B对应的管壁经过再次折射被换能器B接受。利用超声波在管道内顺流和逆流状态下的两个飞行时间就可以测量流量。超声波流量计的两个换能器以固定位置安装在管道同一侧，两个换能器通过切换上下游发射状态，分别测得上游飞行时间t₁和下游飞行时间t₂，再由计算公式计算出流量值。时差法流量计探头安装方式一般有Z法、V法和W法，由于我们的方法采用L波校正零点，所以只采用安装在同侧的V法和W法，本文采用V法进行原理说明。V法工作原理如图1所示，其中A为上游换能器，B为下游换能器，D为管道内径，θ为发射信号和管道截面的夹角，即发射角度。

我们观察到声波在管壁中的分量，不会穿过水流，并且L波在钢管中的传播速度为3230m/s，S波在水中的传播速度为1520m/s，管壁中的L波会比S波提前到达接收端换能器，在接收到的信号中，会形成如图2所示L波在前S波在后的情形。所以我们可以通过L波先行测量零点误差，并用于S波零点实时校正。

步骤一：首先制作一对具有超声波信号收发功能的换能器，用于接受和发射超声波信号。如图1所示，发射信号和管道截面的夹角(发射角度)为45度，采用V法安装使两个换能器处于管道同一侧，确保换能器可以同时收到L波和S波；

步骤二：分别对L波和S波测量上游飞行时间和下游飞行时间，根据下式1得到校正后的流量。

其中，t₁和t₂分别为两个换能器利用S波测得的上下游飞行时间，Δt₁和Δt₂分别为两个换能器利用L波测得的上下游飞行时间并进行滤波处理，D为管道内径，θ为发射角度。K为线流速转化为面流速的补偿系数。

在步骤二中，零点实时补偿的具体实施过程为：

(1)如图2所示，对L波求得声波信号在管壁中上下游的飞行时间Δt₁和Δt₂；

(2)Δt₁和Δt₂分别使用如下公式2进行滤波：

(3)将经过滤波的Δt₁和Δt₂代入公式1进行零点校正，并得到校正后的精确流量。

步骤三：对所测流量Q进行卡尔曼滤波，进一步降低随机扰动对流量的干扰，进而得到最终流量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于零点实时补偿的管道流量测量方法，其特征在于，采用超声波流量计进行测量，并采用如下步骤：

步骤一：采用V法安装将超声波流量计的互为收发的上、下游的两个换能器固定设置于管道管壁的同一侧，确保换能器可以收到L波和S波；

步骤二：分别对L波和S波测量上游飞行时间和下游飞行时间，根据下式(1)得到校正后的流量：

其中，t₁和t₂分别为两个换能器利用S波测得的上下游飞行时间，Δt₁和Δt₂分别为两个换能器利用L波测得的上下游飞行时间，D为管道内径，θ为发射角度，K为线流速转化为面流速的补偿系数；

在步骤二中，零点实时补偿的具体实施过程为：

(1)对L波求得超声波信号在管壁中上下游的飞行时间Δt₁和Δt₂；

(2)Δt₁和Δt₂分别使用如下式(2)进行滤波：

(3)将经过滤波的Δt₁和Δt₂代入公式1进行零点校正，并得到校正后的精确流量；

步骤三：对所测流量Q进行卡尔曼滤波，进一步降低随机扰动对流量的干扰。

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