一种超声波流量计测量流体流量的方法

摘要

一种超声波流量计测量流体流量的方法，其中超声波流量计包括采样部分、计算部分、键盘显示部分，通过分别检测超声波流量计顺循环采样周期内和超声波流量计逆循环采样周期内标准时基振荡器(19)的震荡次数，即采样部分第一计数部(20)和第二计数部(21)的采样计数值N₁′、N₂′，在计算部分的单片机(24)内，运用超声波流量计流速和流量的测量原理和“延长传距技术”进行计算，实现流体流速和流量的测量。

主权项

1、一种超声波流量计测量流体流量的方法，其中超声波流量计包括采样部分、计算部分、键盘显示部分，其特征在于：通过分别检测超声波流量计顺循环采样周期内和超声波流量计逆循环采样周期内标准时基振荡器(19)的震荡次数，即采样部分第一计数部(20)和第二计数部(21)的采样计数值N′₁、N′₂，在计算部分的单片机(24)内，运用超声波流量计流速和流量的测量原理和“延长传距技术”进行计算，实现流体流速和流量的测量；所述的超声波流量计流速和流量的测量原理是：(1)不考虑流体流经流管(35)上侧和下侧所用时间τ、顺循环电路延迟时间τ′和逆循环电路延迟时间τ″时，流体流速u和超声波于流体中的波速c的测量原理式为(39)、(41)式：$u=(\frac{1}{n_1}-\frac{1}{n_2})·\frac{D/\sin \theta }{2\cos \theta }·f---\left(39\right)$$c=(\frac{1}{n_1}+\frac{1}{n_2})·\frac{D/\sin \theta }{2}·f---\left(41\right)$n₁：是超声波顺流传播oo′＝D/sinθ距离所需时间t₁内的标准时基振荡器(19)的振荡次数；n₂：是超声波逆流传播uu′＝oo′＝D/sinθ距离所需时间t₂内的标准时基振荡器(19)的振荡次数；D：是流体流经流管(35)的内直径；θ：是超声波顺流传播时其方向与流体流速的夹角；f：是标准时基振荡器(19)的振荡频率；(2)考虑流体流经流管(35)上侧和下侧所用时间τ、顺循环电路延迟时间τ′和逆循环电路延迟时间τ″时，流体流速u和超声波于流体中的波速c的测量原理式为(68)、(69)式：$u=(\frac{1}{{n_1}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime }}-\frac{1}{{n_2}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime \prime }})·\frac{D/\sin \theta }{2\cos \theta }·f---\left(68\right)$$c=(\frac{1}{{n_1}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime }}+\frac{1}{{n_2}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime \prime }})·\frac{D/\sin \theta }{2}·f---\left(69\right)$n′₁：是t′₁＝t₁+τ+τ′时间内的标准时基振荡器(19)的震荡次数；n′₂：是t′₂＝t₂+τ+τ″时间内的标准时基振荡器(19)的震荡次数；n′_τ：是τ+τ′时间内的标准时基振荡器(19)的震荡次数；n″_τ：是τ+τ″时间内的标准时基振荡器(19)的震荡次数；将“延长传距技术”分别应用于测量原理式(39)、(41)式和(68)、(69)式分别得到流体流速和波速的测量原理式(40)、(42)式和(72)、(73)式；其中当不考虑τ、τ′、τ″时，流体流速u和超声波于流体中的波速c的测量原理式为：$u=(\frac{1}{N_1}-\frac{1}{N_2})·\frac{N·D/\sin \theta }{2\cos \theta }·f---\left(40\right)$$c=(\frac{1}{N_1}+\frac{1}{N_2})·\frac{N·D/\sin \theta }{2}·f---\left(42\right)$N₁：是超声波顺流传播oo′＝D/sinθ距离扩大N倍后所需时间t₁·N内的标准时基振荡器(19)的振荡次数；N₂：是超声波逆流传播uu′＝oo′＝D/sinθ距离扩大N倍后所需时间t₂·N内的标准时基振荡器(19)的振荡次数；N：是“延长传距技术”的正整数N值；当考虑τ、τ′、τ″时，流体流速u和超声波于流体中的波速c的测量原理式为：$u=(\frac{1}{{N_1}^{\prime }-{N_{\tau }}^{\prime }}-\frac{1}{{N_2}^{\prime }-{N_{\tau }}^{\prime \prime }})·\frac{\mathrm{ND}/\sin \theta }{2\cos \theta }·f---\left(72\right)$$c=(\frac{1}{{N_1}^{\prime }-{N_{\tau }}^{\prime }}+\frac{1}{{N_2}^{\prime }-{N_{\tau }}^{\prime \prime }})·\frac{\mathrm{ND}/\sin \theta }{2}·f---\left(73\right)$N′₁：是t′₁时间扩大N倍后其内的标准时基振荡器(19)的震荡次数；N′₂：是t′₂时间扩大N倍后其内的标准时基振荡器(19)的震荡次数；N′_τ：是τ+τ′时间扩大N倍后其内的标准时基振荡器(19)的震荡次数；N″_τ：是τ+τ″时间扩大N倍后其内的标准时基振荡器(19)的震荡次数；所述的“延长传距技术”是：超声波流量计测量流体流速u时，延长超声波在流体中的传播距离，简称“延长传距技术”，此技术的实施方法是分别对(39)式、(41)式，(68)式、(69)式的等式右边式子的分子和分母同乘以一个正整数N，使超声波在有限管径中的传播距离D/sinθ扩大N倍，从而分别得到流速和波速的测量原理式(40)式、(42)式、(72)式、(73)式；并运用(48)、(49)、(50)、(51)、(53)、(52)、(54)、(85)式得出流量测量原理式(59)、(60)式及(77)、(78)式，即：当不考虑τ、τ′、τ″时，流量测量原理式为：Q_t：是流体流经流管(35)内的$S=\frac{\pi D^2}{4}$所表示的S面积上经过时间t的流体流量；Q_i：是Λt_i时间内，$S=\frac{\pi D^2}{4}$所表示的S面积上的流量；u_i：是Λt_i时间内上述S面积上的流体的平均流速；π：是园周率；Δt_i：是超声波流量计采样周期；中的n是随被测流体的雷诺数不同而变化的正数；R_e：是被测流体的雷诺数；当考虑τ、τ′、τ″时，流量测量原理式为：“延长传距技术”所乘的正整数N不能无限制地增大，应受“香农采样定理”所确定的(55)式的约束，其正整数N值的确定，应从(55)式结合实际先确定T，然后从(8)式中用测量流体流速时的最大流速u_max确定t_2max，再用(58)式取N_min的正整数值为“延长传距技术”的正整数N值，其中(55)式、(8)式、(58)式和(48)、(49)、(50)、(51)、(53)、(52)、(54)、(85)式如下：$T<\frac{1}{2f_c}---\left(55\right)$T：是“香农采样定理”所确定的采样周期；f_c：是流体在流经流管(35)直径D上的平均流速u_D随时间变化的模拟信号的最高频率；$\left.\begin{array}{c}{t}_1=\frac{o{o}^{\prime }}{c+u\cos \theta }\\ t_2=\frac{o{o}^{\prime }}{c-u\cos \theta }\end{array}\right\}---\left(8\right)$$N_{\min }=\frac{T}{t_{2\max }}---\left(58\right)$t_2max：是u对应u_max时对应的t₂的最大值；N_min：N_min的正整数值是“延长传距技术”的正整数N值；$Q_i=\stackrel{-}{u_i}·\frac{\pi D^2}{4}·\Delta t_i---\left(48\right)$$Q_t=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{Q}_i=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\stackrel{-}{u_i}·\frac{\pi D^2}{4}·\Delta t_i,(i=\mathrm{1,2,3},······n)---\left(49\right)$$R_e=\frac{\rho ·{\stackrel{-}{u}}_i·D}{\eta }---\left(50\right)$ρ：是被测流体的密度；η：是被测流体动力粘度或称粘滞系数；当R_e≤ 2320时    (51)$\stackrel{-}{u_i}=\frac{3}{4}u---\left(53\right)$当R_e＞2320时    (52)$\stackrel{-}{u_i}=\frac{2n}{2n+1}u---\left(54\right)$其中：$R_e=\frac{\rho ·D}{\eta }·\frac{2n}{2n+1}·u_D---\left(85\right)$u_D＝u：是流体流经流管(35)内直径上的平均流速；所述的超声波流量计流速和波速的测量原理式的推导过程是：当不考虑τ、τ′、τ″时，即：c＝f·λ    (11)$\frac{u}{\lambda }=n^{*}---\left(12\right)$λ：是超声波在f频率时的超声波波长；n^*；是u对λ的倍数；$c+u\cos \theta =\mathrm{f\lambda }+n^{*}\lambda \cos \theta$$=f(1+\frac{n^{*}\cos \theta }{f})\lambda ---\left(13\right)$$c-u\cos \theta =\mathrm{f\lambda }-n^{*}\lambda \cos \theta$$=f(1-\frac{n^{*}\cos \theta }{f})\lambda ---\left(14\right)$$f(1+\frac{n^{*}\cos \theta }{f})\lambda =f{\lambda }_1---\left(15\right)$$f(1-\frac{n^{*}\cos \theta }{f})\lambda =f{\lambda }_2---\left(16\right)$λ₁：是超声波在流体中顺流方向传播时的波长；λ₂：是超声波在流体中逆流方向传播时的波长；2ucosθ＝f(λ₁-λ₂)     (19)2c＝f(λ₁+λ₂)          (34)将(13)、(14)、(15)、(16)式代入公式(8)式，得到(20)、(21)式：$\left.\begin{array}{c}{t}_{1}f=\frac{o{o}^{\prime }}{{\lambda }_1}\\ t_{2}f=\frac{o{o}^{\prime }}{{\lambda }_2}\end{array}\right\}---\left(20\right)$$\left.\begin{array}{c}{t}_{1}f=n_1\\ t_{2}f=n_2\end{array}\right\}---\left(21\right)$将(20)、(21)式代入(19)、(34)式得流速和波速的测量原理式(39)、(41)式；当考虑τ、τ′、τ″时，即：将(63)式中的t₁、t₂代入(21)式中，得(64)式，其中(63)式、(64)式如下：$\left.\begin{array}{c}{t}_1={t_1}^{\prime }-\tau -{\tau }^{\prime }\\ t_2={t_2}^{\prime }-\tau -{\tau }^{\prime \prime }\end{array}\right\}---\left(63\right)$$\left.\begin{array}{c}{n}_1=t_{1}f=({t_1}^{\prime }-\tau -{\tau }^{\prime })f={t_1}^{\prime }f-(\tau +{\tau }^{\prime })f\\ n_2=t_{2}f=({t_2}^{\prime }-\tau -{\tau }^{\prime \prime })f={t_2}^{\prime }f-(\tau +{\tau }^{\prime \prime })f\end{array}\right\}---\left(64\right)$设(64)式中$\left.\begin{array}{c}{t_1}^{\prime }f={n_1}^{\prime }\\ {t_2}^{\prime }f={n_2}^{\prime }\end{array}\right\}---\left(65\right)$$\left.\begin{array}{c}(\tau +{\tau }^{\prime })f={n_{\tau }}^{\prime }\\ (\tau +{\tau }^{\prime \prime })f={n_{\tau }}^{\prime \prime }\end{array}\right\}---\left(66\right)$将(65)式、(66)式代入(64)式，得$\left.\begin{array}{c}{n}_1={n_1}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime }\\ n_2={n_2}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime \prime }\end{array}\right\}---\left(67\right)$将(67)式分别代入(39)式和(41)式，得流速和波速的测量原理式(68)、(69)式，(68)、(69)式中等式右边分子、分母同乘以正整数N，得(70)式，$\left.\begin{array}{c}u=(\frac{1}{{n_1}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime }}-\frac{1}{{n_2}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime }})·\frac{N}{N}·\frac{D/\sin \theta }{2\cos \theta }·f\\ c=(\frac{1}{{n_1}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime }}+\frac{1}{{n_2}^{\prime }-{n_{\tau }}^{\prime \prime }})·\frac{N}{N}·\frac{D/\sin \theta }{2}·f\end{array}\right\}---\left(70\right)$(70)式中，设$\left.\begin{array}{c}{n_2}^{\prime }N={N_2}^{\prime }\\ {n_1}^{\prime }N={N_1}^{\prime }\\ {n_{\tau }}^{\prime \prime }N={N_{\tau }}^{\prime \prime }\\ {n_{\tau }}^{\prime }N={N_{\tau }}^{\prime }\end{array}\right\}---\left(71\right)$将(71)式代入(70)式，得流速测量原理式(72)式和波速测量原理式(73)式；流速、波速测量原理式(72)、(73)式、流量测量原理式(77)、(78)式中的N″_τ、N′_τ用(83)式整体测值后用于单片机(24)编程使用；$\left.\begin{array}{c}{N_{\tau }}^{\prime \prime }={n_{\tau }}^{\prime \prime }·N=(\tau +{\tau }^{\prime \prime })·f·N\\ {N_{\tau }}^{\prime }={n_{\tau }}^{\prime }·N=(\tau +{\tau }^{\prime })·f·N\end{array}\right\}---\left(83\right)$流量测量原理式(59)、(60)、(77)、(78)式中的Δt_i不仅应满足(56)式Δt_i≤T    (56)并应按(86)式进行计算；Δt_i＝N′₂T_B+(单片机(24)响应中断+禁止一切中断+单片机(24)输出信号锁存N′₁和N′₂+单片机(24)输出信号对第一、第二计数部(20)、(21)清零+单片机(24)从I/O口B端输出信号开始采样)指令所用时间    (86)T_B为标准时基振荡器(19)的振荡周期。