本發(fā)明涉及氣體流量檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置及方法，屬新型計(jì)量器械測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

目前對(duì)氣體流量的測(cè)量中,氣體的腐蝕、水分的冷凝的干擾、大管徑氣體流場(chǎng)的不均勻性，氣體的超量程的適應(yīng)性等是不同氣體流量測(cè)量原理所面臨的不同挑戰(zhàn)。差壓式氣體流量計(jì)：測(cè)量精度普遍偏低，測(cè)量范圍窄，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)直管段要求高、壓損過(guò)大，超量程甚至?xí)p壞測(cè)量元件，腐蝕性氣體對(duì)差壓元件也具有腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)；渦街氣體流量計(jì)：量程比較小，受震動(dòng)影響大，小量程段測(cè)量不穩(wěn)定，幾乎無(wú)法測(cè)量，且傳感元件耐腐蝕性較差；熱式氣體流量計(jì)：優(yōu)點(diǎn)是量程比很寬，微小流量具有很好優(yōu)勢(shì)，其主要缺陷是氣體濃度變化會(huì)對(duì)流量造成影響，需要?dú)怏w成分的輔助分析來(lái)測(cè)量體積流量，采用不銹鋼的探頭的熱式氣體流量計(jì)抗腐蝕性好，但是響應(yīng)速度慢，采用mems熱式傳感器主流(mainstream)或者旁流(sidestream)的熱式氣體流量計(jì)：例如文獻(xiàn)us6779395b2，提出一種用于測(cè)量旁路中氣體或液體流量的裝置，首次提出了應(yīng)用旁路解決大管徑流體的測(cè)量方案，其響應(yīng)速度快，但是抗腐蝕性差，抗污染性差；超聲波氣體流量計(jì)：可以達(dá)到類(lèi)似熱式流量計(jì)的高量程比，1:160的量程比依然可以獲得很高的精度。能夠適宜腐蝕性氣體，例如沼氣的流量測(cè)量。相比熱式氣體流量計(jì)，超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量體積不受氣體成分的影響的。相比差壓式和渦街氣體流量計(jì)，超聲波氣體流量計(jì)幾乎沒(méi)有壓損，無(wú)機(jī)械可動(dòng)部件，長(zhǎng)期運(yùn)行無(wú)須特殊維護(hù)，便于安裝，穩(wěn)定可靠。此外，超聲波流量計(jì)在測(cè)量氣體流量的同時(shí)，對(duì)于某些場(chǎng)合，還可以同時(shí)測(cè)量成分，例如文獻(xiàn)cn103454344a，在國(guó)內(nèi)首次提出了應(yīng)用超聲波原理，可解決氣體成分與流量的同時(shí)測(cè)量，但目前的超聲波氣體流量計(jì)面臨的幾個(gè)挑戰(zhàn)是：(1)在高超聲波吸收的氣體中，例如在高濃度co2的沼氣和高濃度co2天然氣中，超聲波的信號(hào)由于能量吸收信號(hào)非常小，容易造成誤差甚至錯(cuò)誤，管徑越大，問(wèn)題越嚴(yán)重。(2)應(yīng)用在大管徑場(chǎng)合時(shí)，不能保證截面流場(chǎng)分布均勻性，造成測(cè)量誤差，(3)測(cè)量管道存在水分冷凝時(shí)，例如在沼氣領(lǐng)域，測(cè)量從發(fā)酵罐出來(lái)的沼氣，由于水分冷凝的問(wèn)題不能及時(shí)排除，將會(huì)造成超聲波探頭漬水，導(dǎo)致測(cè)量精度下降甚至測(cè)試失效。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用超聲波技術(shù)測(cè)量氣體流量?jī)?yōu)勢(shì)較明顯(寬量程比，壓阻小，還可以測(cè)量成分等)，但目前亟待解決超聲波氣體測(cè)量技術(shù)應(yīng)用在高水分氣體例如沼氣成分的測(cè)量領(lǐng)域，以及大管徑、高超聲波能吸收氣體等領(lǐng)域的氣體流量測(cè)試問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上問(wèn)題，本發(fā)明提出一種基于超聲波旁流原理的氣體流量測(cè)量裝置及方法，通過(guò)在主管道一側(cè)設(shè)置旁流管道，并且在主管道內(nèi)設(shè)置阻流件構(gòu)成限流通道；可選擇在限流通道阻流件處開(kāi)孔，可減少冷凝水分在管道內(nèi)滯留，能夠消除水分對(duì)測(cè)量的影響；通過(guò)在旁流管道設(shè)置超聲波探頭，測(cè)量旁流管道超聲波順流和逆流的時(shí)間差值，應(yīng)用最小二乘法，確定旁流管道時(shí)間差值對(duì)應(yīng)的主管道標(biāo)準(zhǔn)流量值之間的單調(diào)遞增關(guān)系，可以測(cè)量氣體流量。應(yīng)用該發(fā)明：(1)可有效解決冷凝水分可能對(duì)超聲波氣體流量計(jì)的影響；(2)對(duì)于大管徑的氣體流量測(cè)量領(lǐng)域，對(duì)流場(chǎng)的均勻性要求大大降低；(3)對(duì)于高超聲波吸收的氣體中，例如高濃度co2的沼氣和高co2天然氣中，即使主管徑的管徑成倍增長(zhǎng)，旁流管道的測(cè)量裝置可以不變化或者變化很小，這樣在含高超聲波能量吸收氣體的旁流管道中，一旦確定合適的結(jié)構(gòu)，就可以固定下來(lái)，而不需根據(jù)主管道的管徑變化而變化，這樣可以實(shí)現(xiàn)超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量部分的標(biāo)準(zhǔn)化，使得超聲波氣體流量計(jì)的適應(yīng)性，容錯(cuò)性更強(qiáng)，精度更高。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決：

一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，其特征是：包括主管道、旁流管道，主管道與旁流管道連通，旁流管道位于主管道的側(cè)面，主管道內(nèi)設(shè)置至少一個(gè)阻流件，形成限流通道，旁流管道內(nèi)設(shè)置超聲波傳感器，主管道、旁流管道、限流通道共同形成檢測(cè)氣道。

在上述的一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，所述阻流件成對(duì)設(shè)置，且設(shè)置在主管道內(nèi)壁的上下部分。

在上述的一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，主管道與旁流管道通過(guò)至少兩個(gè)輔助管道連通，阻流件設(shè)置在輔助管道與主管道的兩個(gè)連通口之間，主管道中位于兩個(gè)連通口之間的管道形成阻流通道。

在上述的一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，阻流件與主管道呈對(duì)稱(chēng)、或與管壁成夾角設(shè)置，形成限流通道。

在上述的一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，在主管道內(nèi)壁下部的阻流件上開(kāi)有貫穿整個(gè)阻流件的水槽。

一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，其特征是：包括主管道、旁流管道，主管道與旁流管道連通，旁流管道位于主管道的側(cè)面，主管道與旁流管道通過(guò)至少兩個(gè)輔助管道連通，輔助管道一端深入主管道內(nèi)并向前延伸，輔助管道向前延伸的一端設(shè)有限流通道，旁流管道內(nèi)設(shè)置超聲波傳感器，主管道、旁流管道、限流通道共同形成檢測(cè)氣道。

在上述的一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，輔助管道向前延伸的一端設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱(chēng)，且與輔助管道向前延伸的一端呈直角或呈夾角設(shè)置的兩個(gè)阻流管，兩個(gè)阻流管一端分別與兩個(gè)輔助管道連通，且兩個(gè)阻流管的另一端開(kāi)口且分別各自向主管道的兩端延伸，該兩個(gè)阻流管為限流通道。

在上述的一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，輔助管道向前延伸的一端設(shè)有一個(gè)與主管道管壁平行或呈夾角設(shè)置的一個(gè)阻流管，輔助管道向前延伸的一端與阻流管連通，阻流管的兩端開(kāi)口且分別向主管道的兩端延伸，該阻流管為限流通道。

一種采用基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置進(jìn)行氣體流量檢測(cè)的方法，其特征是：包括以下步驟：

a.通過(guò)旁流管道、限流通道實(shí)現(xiàn)對(duì)主管道氣體分流，一部分氣體在旁流管道流通；另一部分氣體在限流通道流通；

b.通過(guò)超聲波傳感器，測(cè)試旁流管道中順流時(shí)間和逆流時(shí)間，計(jì)算超聲波在旁流管道順流時(shí)間和逆流時(shí)間差值；

c.通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)氣體流量裝置讀取超聲波在旁流管道時(shí)間差值對(duì)應(yīng)的主管道標(biāo)準(zhǔn)流量值；

d.通過(guò)計(jì)算擬合出時(shí)間差值與主管道標(biāo)準(zhǔn)流量值的單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系；

e.實(shí)際測(cè)量時(shí)，依據(jù)時(shí)間差值與主管道標(biāo)準(zhǔn)流量值的單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系，確定主管道氣體的實(shí)際流量。

本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)：本發(fā)明既借鑒了差壓式氣體流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流場(chǎng)均勻性要求較低的優(yōu)點(diǎn)，也借鑒了超聲波氣體流量計(jì)高量程比、耐腐蝕、甚至可以同時(shí)測(cè)量成分的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)本發(fā)明：(1)可有效解決冷凝水分可能對(duì)超聲波氣體流量計(jì)的影響；(2)對(duì)于大管徑的氣體流量測(cè)量領(lǐng)域，對(duì)流場(chǎng)的均勻性要求大大降低；(3)對(duì)于高超聲波吸收的氣體中，例如高濃度co2的沼氣和高co2天然氣中，即使主管徑的管徑成倍增長(zhǎng)，旁流管道的測(cè)量裝置可以不變化或者變化很小，這樣在含高超聲波能量吸收氣體的旁流管道中，一旦確定合適的結(jié)構(gòu)，就可以固定下來(lái)，而不需根據(jù)主管道的管徑變化而變化，這樣可以實(shí)現(xiàn)超聲波氣體流量計(jì)測(cè)量部分的標(biāo)準(zhǔn)化，使得超聲波氣體流量計(jì)的適應(yīng)性，容錯(cuò)性更強(qiáng)，精度更高。

附圖說(shuō)明

圖1為第1種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置示意圖。

圖2為第2種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置示意圖。

圖3為第3種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置示意圖。

圖4為第4種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置示意圖。

圖5為第5種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置示意圖。

圖6為第6種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置示意圖。

圖7a為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——超聲傳感器4安裝方式1的示意圖。

圖7b為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——超聲傳感器4安裝方式2的示意圖。

圖7c為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——超聲傳感器4安裝方式3的示意圖。

圖7d為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——超聲傳感器4安裝方式4的示意圖。

圖8a為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——排水孔或槽5第1中位置主視圖。

圖8b為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——排水孔或槽5第2中位置主視圖。

圖8c為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——排水孔或槽5第3中位置主視圖。

圖8d為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——排水孔或槽5第4中位置主視圖。

圖8e為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——排水孔或槽5第5中位置主視圖。

圖8f為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——排水孔或槽5第6中位置主視圖。

圖9a為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——阻流件3形狀1的主視圖。

圖9b為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——阻流件3形狀2的主視圖。

圖9c為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——阻流件3形狀3的主視圖。

圖9d為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置——阻流件3形狀4的主視圖。

圖10為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)方法實(shí)施例一擬合圖。

圖11為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)方法實(shí)施例二擬合圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。附圖說(shuō)明：1—主管道；2—旁流管道；3—阻流件；4—超聲波傳感器；5—排水孔或槽；6—限流通道。

實(shí)施例1

一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，包括設(shè)置主管道1、旁流管道2，主管道1與旁流管道2連通，旁流管道2位于主管道1的一側(cè)或者上部，沿著主管道1內(nèi)壁上下對(duì)稱(chēng)設(shè)置兩個(gè)的阻流件3，旁流管道2內(nèi)設(shè)置超聲波傳感器4，主管道1、旁流管道2、阻流件3共同形成檢測(cè)氣道。

在主管道1內(nèi)側(cè)軸向設(shè)置兩個(gè)弧形或方形或梯形阻流件，如附圖1—3所示。

在主管道1底部阻流件3處開(kāi)排水孔或槽5，如附圖8中a、b、c、d可設(shè)置1個(gè)排水孔或槽，也可為附圖8中e、f可設(shè)置2—3個(gè)排水孔或槽。

超聲波傳感器4可設(shè)置為如附圖7所示的：a:直射型，b:x型(0°＜θ＜180°)，c：v型(0°＜θ＜90°)，d：w型(0°＜θ＜90°)。

測(cè)量步驟是：

a.通過(guò)旁流管道2、限流通道6實(shí)現(xiàn)對(duì)主管道1氣體分流，一部分氣體在旁流管道2流通；另一部分氣體在限流通道6流通；

b.通過(guò)超聲波傳感器4，測(cè)試旁流管道2中順流時(shí)間t1和逆流時(shí)間t2，計(jì)算順流時(shí)間和逆流時(shí)間差值δt；

c.通過(guò)氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置讀取時(shí)間差值δt對(duì)應(yīng)的主管道1標(biāo)準(zhǔn)流量值q1；

d.通過(guò)最小二乘法計(jì)算擬合出時(shí)間差值δt與主管道標(biāo)準(zhǔn)流量q1的單調(diào)遞增關(guān)系:

δt與q1的單調(diào)遞增關(guān)系可為線(xiàn)性關(guān)系或非線(xiàn)性關(guān)系；如：

q1＝anδtⁿ+an-1δt^n-1+...+a1δt+a0(n為非負(fù)整數(shù))

an、an-1...a0為待定系數(shù)；

選擇在20℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.3kpa)條件下，主管道1內(nèi)徑50mm、旁流管道2內(nèi)徑12mm、超聲波傳感器4聲道長(zhǎng)度35mm，阻流件采用圖1所示圓弧，其中阻流件為直徑60mm，弧度為(80-85°)的圓??；計(jì)時(shí)精度為0.1ns，測(cè)試結(jié)果如下：

表一

根據(jù)表一數(shù)據(jù)可以擬合出如附圖10的關(guān)系式，n＝2,可得出：

an＝a2＝0.00001787，an-1＝a1＝-0.00849269,a0＝4.47160823

則：q1＝0.00001787*δt²-0.00849269*δt+4.47160823；

e.實(shí)際測(cè)量時(shí)，依據(jù)時(shí)間差值δt與主管道標(biāo)準(zhǔn)流量值q1的單調(diào)遞增關(guān)系，確定主管道氣體的實(shí)際氣體流量。

實(shí)施例2

一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測(cè)裝置，包括設(shè)置主管道1、旁流管道2，主管道1與旁流管道2連通，旁流管道2位于主管道1的一側(cè)或者上部，沿著主管道1內(nèi)壁上下對(duì)稱(chēng)設(shè)置兩個(gè)的阻流件3，旁流管道2內(nèi)設(shè)置超聲波傳感器4，主管道1、旁流管道2、阻流件3共同形成檢測(cè)氣道。

在主管道1內(nèi)側(cè)軸向設(shè)置兩個(gè)弧形或方形或梯形阻流件，如附圖1—3所示。

超聲波傳感器4可設(shè)置為如附圖7所示的：a:直射型，b:x型(0°＜θ＜180°)，c：v型(0°＜θ＜90°)，d：w型(0°＜θ＜90°)。

測(cè)量步驟是：

a.通過(guò)旁流管道2、限流通道6實(shí)現(xiàn)對(duì)主管道1氣體分流，一部分氣體在旁流管道2流通；另一部分氣體在限流通道6流通；

b.通過(guò)超聲波傳感器4，測(cè)試旁流管道2中順流時(shí)間t1和逆流時(shí)間t2，計(jì)算順流時(shí)間和逆流時(shí)間差值δt；

c.通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)裝置讀取時(shí)間差值對(duì)應(yīng)的主管道1標(biāo)準(zhǔn)流量值；

d.通過(guò)計(jì)算擬合出時(shí)間差值δt與主管道標(biāo)準(zhǔn)流量q1的單調(diào)遞增關(guān)系:

δt與q1的單調(diào)遞增關(guān)系可為線(xiàn)性關(guān)系或非線(xiàn)性關(guān)系，如：

q1＝anδtⁿ+an-1δt^n-1+...+a1δt+a0(n為非負(fù)整數(shù))

an、an-1...a0為待待定系數(shù)；

選擇在20℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(101.3kpa)條件下，主管道1內(nèi)徑100mm、旁流管道2內(nèi)徑12mm、超聲量傳感器4聲道長(zhǎng)度35mm，阻流件采用圖1所示，其中阻流件為直徑80mm，弧度為(100-104°)的圓弧；計(jì)時(shí)精度為0.1ns，測(cè)試結(jié)果如下：

表二

根據(jù)表二數(shù)據(jù)可以擬合出如附圖11的關(guān)系式，n＝1可得出：

an＝a1＝-0.18421846，a0＝-75.15928864

則：q1＝-0.18421846*δt-75.15928864；

e.實(shí)際測(cè)量時(shí)，依據(jù)時(shí)間差值δt與主管道標(biāo)準(zhǔn)流量值q1的單調(diào)遞增關(guān)系，確定主管道氣體的實(shí)際流量。

實(shí)施例3

如附圖4、5所示：旁流管道2的部分作為阻流件3，設(shè)置在主管道1內(nèi)，旁流管道2內(nèi)設(shè)置超聲波傳感器4。

如附圖6所示：旁流管道2位于主管道1的一側(cè)，沿著主管道1氣流平行方向設(shè)置若干個(gè)排布密集阻流件3，阻流件3為若干個(gè)兩端開(kāi)放的小管子，如附圖9的a、b所示；

阻流件3還可設(shè)置為梳齒狀，如附圖9的c、d所示。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類(lèi)似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書(shū)所定義的范圍。