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

背景技術(shù)：

目前對氣體流量的測量中,氣體的腐蝕、水分的冷凝的干擾、大管徑氣體流場的不均勻性，氣體的超量程的適應(yīng)性等是不同氣體流量測量原理所面臨的不同挑戰(zhàn)。差壓式氣體流量計：測量精度普遍偏低，測量范圍窄，對現(xiàn)場直管段要求高、壓損過大，超量程甚至?xí)p壞測量元件，腐蝕性氣體對差壓元件也具有腐蝕的風(fēng)險；渦街氣體流量計：量程比較小，受震動影響大，小量程段測量不穩(wěn)定，幾乎無法測量，且傳感元件耐腐蝕性較差；熱式氣體流量計：優(yōu)點是量程比很寬，微小流量具有很好優(yōu)勢，其主要缺陷是氣體濃度變化會對流量造成影響，需要氣體成分的輔助分析來測量體積流量，采用不銹鋼的探頭的熱式氣體流量計抗腐蝕性好，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：例如文獻us6779395b2，提出一種用于測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：可以達到類似熱式流量計的高量程比，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，例如沼氣的流量測量。相比熱式氣體流量計，超聲波氣體流量計測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，超聲波氣體流量計幾乎沒有壓損，無機械可動部件，長期運行無須特殊維護，便于安裝，穩(wěn)定可靠。此外，超聲波流量計在測量氣體流量的同時，對于某些場合，還可以同時測量成分，例如文獻cn103454344a，在國內(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測量，但目前的超聲波氣體流量計面臨的幾個挑戰(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，超聲波的信號由于能量吸收信號非常小，容易造成誤差甚至錯誤，管徑越大，問題越嚴重。(2)應(yīng)用在大管徑場合時，不能保證截面流場分布均勻性，造成測量誤差，(3)測量管道存在水分冷凝時，例如在沼氣領(lǐng)域，測量從發(fā)酵罐出來的沼氣，由于水分冷凝的問題不能及時排除，將會造成超聲波探頭漬水，導(dǎo)致測量精度下降甚至測試失效。

通過對現(xiàn)有技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)，運用超聲波技術(shù)測量氣體流量優(yōu)勢較明顯(寬量程比，壓阻小，還可以測量成分等)，但目前亟待解決超聲波氣體測量技術(shù)應(yīng)用在高水分氣體例如沼氣成分的測量領(lǐng)域，以及大管徑、高超聲波能吸收氣體等領(lǐng)域的氣體流量測試問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于以上問題，本發(fā)明提出一種基于超聲波旁流原理的氣體流量測量裝置及方法，通過在主管道一側(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孔，可減少冷凝水分在管道內(nèi)滯留，能夠消除水分對測量的影響；通過在旁流管道設(shè)置超聲波探頭，測量旁流管道超聲波順流和逆流的時間差值，應(yīng)用最小二乘法，確定旁流管道時間差值對應(yīng)的主管道標準流量值之間的單調(diào)遞增關(guān)系，可以測量氣體流量。應(yīng)用該發(fā)明：(1)可有效解決冷凝水分可能對超聲波氣體流量計的影響；(2)對于大管徑的氣體流量測量領(lǐng)域，對流場的均勻性要求大大降低；(3)對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，旁流管道的測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，而不需根據(jù)主管道的管徑變化而變化，這樣可以實現(xiàn)超聲波氣體流量計測量部分的標準化，使得超聲波氣體流量計的適應(yīng)性，容錯性更強，精度更高。

本發(fā)明通過下述技術(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氣道。

在上述的一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測裝置，所述阻流件成對設(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裝置，主管道與旁流管道通過至少兩個輔助管道連通，阻流件設(shè)置在輔助管道與主管道的兩個連通口之間，主管道中位于兩個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裝置，阻流件與主管道呈對稱、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裝置，在主管道內(nèi)壁下部的阻流件上開有貫穿整個阻流件的水槽。

一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測裝置，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至少兩個輔助管道連通，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氣道。

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

在上述的一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測裝置，輔助管道向前延伸的一端設(shè)有一個與主管道管壁平行或呈夾角設(shè)置的一個阻流管，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裝置進行氣體流量檢測的方法，其特征是：包括以下步驟：

a.通過旁流管道、限流通道實現(xiàn)對主管道氣體分流，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.通過超聲波傳感器，測試旁流管道中順流時間和逆流時間，計算超聲波在旁流管道順流時間和逆流時間差值；

c.通過標準氣體流量裝置讀取超聲波在旁流管道時間差值對應(yīng)的主管道標準流量值；

d.通過計算擬合出時間差值與主管道標準流量值的單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系；

e.實際測量時，依據(jù)時間差值與主管道標準流量值的單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系，確定主管道氣體的實際流量。

本發(fā)明的優(yōu)勢：本發(fā)明既借鑒了差壓式氣體流量計結(jié)構(gòu)簡單，流場均勻性要求較低的優(yōu)點，也借鑒了超聲波氣體流量計高量程比、耐腐蝕、甚至可以同時測量成分的優(yōu)點。通過本發(fā)明：(1)可有效解決冷凝水分可能對超聲波氣體流量計的影響；(2)對于大管徑的氣體流量測量領(lǐng)域，對流場的均勻性要求大大降低；(3)對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，旁流管道的測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，而不需根據(jù)主管道的管徑變化而變化，這樣可以實現(xiàn)超聲波氣體流量計測量部分的標準化，使得超聲波氣體流量計的適應(yīng)性，容錯性更強，精度更高。

附圖說明

圖1為第1種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測裝置示意圖。

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裝置示意圖。

圖7a為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測裝置——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方法實施例一擬合圖。

圖11為基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測方法實施例二擬合圖。

具體實施方式

下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步具體的說明。附圖說明：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。

實施例1

一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測裝置，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)壁上下對稱設(shè)置兩個的阻流件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共同形成檢測氣道。

在主管道1內(nèi)側(cè)軸向設(shè)置兩個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處開排水孔或槽5，如附圖8中a、b、c、d可設(shè)置1個排水孔或槽，也可為附圖8中e、f可設(shè)置2—3個排水孔或槽。

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°)。

測量步驟是：

a.通過旁流管道2、限流通道6實現(xiàn)對主管道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.通過超聲波傳感器4，測試旁流管道2中順流時間t1和逆流時間t2，計算順流時間和逆流時間差值δt；

c.通過氣體流量標準裝置讀取時間差值δt對應(yīng)的主管道1標準流量值q1；

d.通過最小二乘法計算擬合出時間差值δt與主管道標準流量q1的單調(diào)遞增關(guān)系:

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

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

an、an-1...a0為待定系數(shù)；

選擇在20℃、標準大氣壓(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??；計時精度為0.1ns，測試結(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.實際測量時，依據(jù)時間差值δt與主管道標準流量值q1的單調(diào)遞增關(guān)系，確定主管道氣體的實際氣體流量。

實施例2

一種基于超聲波旁流原理的氣體流量檢測裝置，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)壁上下對稱設(shè)置兩個的阻流件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共同形成檢測氣道。

在主管道1內(nèi)側(cè)軸向設(shè)置兩個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°)。

測量步驟是：

a.通過旁流管道2、限流通道6實現(xiàn)對主管道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.通過超聲波傳感器4，測試旁流管道2中順流時間t1和逆流時間t2，計算順流時間和逆流時間差值δt；

c.通過標準裝置讀取時間差值對應(yīng)的主管道1標準流量值；

d.通過計算擬合出時間差值δt與主管道標準流量q1的單調(diào)遞增關(guān)系:

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

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

an、an-1...a0為待待定系數(shù)；

選擇在20℃、標準大氣壓(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；計時精度為0.1ns，測試結(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.實際測量時，依據(jù)時間差值δt與主管道標準流量值q1的單調(diào)遞增關(guān)系，確定主管道氣體的實際流量。

實施例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)置若干個排布密集阻流件3，阻流件3為若干個兩端開放的小管子，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施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。