多声道超声波气体流量计的测量方法、装置、电子设备

1.本公开实施例涉及多声道超声波气体流量计技术领域，尤其是涉及一种多声道超声波气体流量计的测量方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.为提高安全性及生产效率，天然气、石油、化工，及蒸气等行业需要大量的气体流量在线检测设备。目前采用的一般是传统的机械式流量计，如涡街，涡轮，转子和文丘里等流量计。由于机械转动部件引起容易磨损，或由于传感器受介质的污染乃至腐蚀，这些流量计的性能容易变差，一般都需要定期离线维护和年检。并且，其性能受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响较大。
3.管段式时差法超声波气体流量计是一种更先进的气体测量设备。这种流量计的管段上预先装有一对或多对超声传感器。每对两只传感器沿流体流动方向上下游按一定距离分开布置。通过测量超声波脉冲沿顺流方向和逆流方向的传播时间差来测量流体速度。这种技术的优点是没有转动部件，无需经常维护，其精度可以做到很高。
4.传统的三声道测量方法包括设置在圆心位置的一个声道以及在两边相互对称的两个声道，随着管道的长时间使用，管道内底部常常会有冰堵，管壁污垢等现象，声道布置在靠近中间位置对其敏感度低，不能够很好的排除管底污垢的影响，导致最终的测量精度降低。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本公开提供了一种多声道超声波气体流量计的测量方法、装置、电子设备以及计算机可读存储介质。
6.根据本公开的第一个方面，提供了一种多声道超声波气体流量计的测量方法，包括：
7.将超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置，其中，节点数2、3、5分别对应第一声道、第二声道和第三声道；
8.计算待测量的管道内气体的面速度，包括：
[0009][0010]
其中，wi为第i个声道的的求积系数，vi为第i个声道的线平均速度。
[0011]
计算第二声道与第三声道的速度差值，包括：
[0012][0013]
其中，为第二声道与第三声道的线速度差值，v2为第二声道的线速度值，v3为第三声道的线速度值。
[0014]
采用与待测量的管道相同的环境进行对照实验，用五声道超声波流量计对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验，记录五个声道的线速度值v
o1
，v
o2
，v
o3
，vo4
，v
o5
，计算管道内气体的面速度以及第三声道与第五声道的速度差值将计算获得的面速度与线速度差值与对照组实验得出的面速度和线速度差进行比对获得管底污垢厚度h；以及
[0015]
计算管底污垢厚度h的情况下管道的瞬时流量，包括：
[0016][0017]
其中，q表示瞬时流量，k为修正系数，wi为对应声道的求积系数，r为管道内半径，xi为对应管道的求积节点位置，v1、v2、v3分别为第一声道、第二声道和第三声道的线速度，v
o1
为对照实验测量出的第一声道的线速度。
[0018]
根据本公开的一些实施例，所述第一声道、所述第二声道和所述第三声道的线速度的方法包括：
[0019][0020]
其中，l为声道长度，θ为声波与流速夹角，tu为声道逆行传播时间，td为声道顺行传播时间。
[0021]
根据本公开的一些实施例，所述对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验还包括：
[0022]
对记录的数据进行拟合得到v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
，以及
[0023]
根据本公开的一些实施例，三个声道与圆心位置分别为-0.538459310r，0r，0.906179846r。
[0024]
本公开的第二方面提供了一种多声道超声波气体流量计的测量装置，包括：
[0025]
声道布置模块，适用于将超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置，其中，节点数2、3、5分别对应第一声道、第二声道和第三声道；
[0026]
第一计算模块，计算待测量的管道内气体的面速度，包括：
[0027][0028]
其中，wi为第i个声道的的求积系数，vi为第i个声道的线平均速度。
[0029]
第二计算模块，计算第二声道与第三声道的速度差值，包括：
[0030][0031]
其中，为第二声道与第三声道的线速度差值，v2为第二声道的线速度值，v3为第三声道的线速度值。
[0032]
对照试验模块，采用与待测量的管道相同的环境进行对照实验，用五声道超声波流量计对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验，记录五个声道的线速度值v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
，计算管道内气体的面速度以及第三声道与第五声道的速度差值
[0033]
比对模块，将计算获得的面速度与线速度差值与对照组实验得出的面速度和线速度差进行比对获得管底污垢厚度h；以及
[0034]
第三计算模块，计算管底污垢厚度h的情况下管道的瞬时流量，包括：
[0035][0036]
其中，q表示瞬时流量，k为修正系数，wi为对应声道的求积系数，r为管道内半径，xi为对应管道的求积节点位置，v1、v2、v3分别为第一声道、第二声道和第三声道的线速度，v
o1
为对照实验测量出的第一声道的线速度。
[0037]
根据本公开的一些实施例，所述第一计算模块还包括：
[0038]
计算第一声道、所述第二声道和所述第三声道的线速度，包括：
[0039][0040]
其中，l为声道长度，θ为声波与流速夹角，tu为声道逆行传播时间，td为声道顺行传播时间。
[0041]
根据本公开的一些实施例，所述对照试验模块还包括：
[0042]
对记录的数据进行拟合得到v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
以及
[0043]
本公开的第三方面提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行上述方法。
[0044]
本公开的第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器执行上述方法。
[0045]
本公开的第五方面还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法。
[0046]
根据本公开实施例的多声道超声波气体流量计的测量方法和测量装置，相比于传统的权重系数法进行的声道布局，改进后的任意两个声道在均匀稳定的流场中没有近似相等的，在均匀稳定的流场中，不增加声道数测量更多的速度梯度，提高了测量结果的精确性，第三声道靠近管道底部，对底部沉积的杂质更加敏感，对底部有杂质的情况测量的更加准确。
附图说明
[0047]
图1是相关技术中多声道换能器的平行布局的示意图；
[0048]
图2是根据本公开的示例性实施例的多声道超声波气体流量计的测量方法的流程图；
[0049]
图3是根据本公开的示例性实施例的多声道超声波气体流量计的声道设置示意图；
[0050]
图4是根据本公开的示例性实施例的管道底部沉积污垢的示意图。
具体实施方式
[0051]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
[0052]
但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，
明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
[0053]
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。
[0054]
在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
[0055]
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
[0056]
在相关技术中，多声道流量计的换能器平行布局如图1所示，根据多声道测出的线速度，采用权重系数法，对面速度进行计算。目前比较常用的权重系数法有四种，分别是gauss-legendre法，tchebychev法，tailored法和owics法。
[0057]
图2是根据本公开的示例性实施例的多声道超声波气体流量计的测量方法的流程图。
[0058]
根据本公开的第一个方面，提供了一种多声道超声波气体流量计的测量方法，包括操作s201～操作s206。
[0059]
根据本公开的一些实施例，操作s201包括：将超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置，其中，节点数2、3、5分别对应第一声道、第二声道和第三声道。
[0060]
根据本公开的一些实施例，操作s202包括：计算待测量的管道内气体的面速度，包括：
[0061][0062]
其中，wi为第i个声道的的求积系数，vi为第i个声道的线平均速度。
[0063]
根据本公开的一些实施例，操作s203包括：计算第二声道与第三声道的速度差值，包括：
[0064][0065]
其中，为第二声道与第三声道的线速度差值，v2为第二声道的线速度值，v3为第三声道的线速度值。
[0066]
根据本公开的一些实施例，操作s204包括：采用与待测量的管道相同的环境进行对照实验，用五声道超声波流量计对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验，记录五个声道的线速度值v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
，计算管道内气体的面速度以及第三声道与第五声道的速度差值
[0067]
根据本公开的一些实施例，操作s205包括：将计算获得的面速度与线速度差值与对照组实验得出的面速度和线速度差进行比对获得管底污垢厚度h。
[0068]
根据本公开的一些实施例，操作s206包括：计算管底污垢厚度h的情况下管道的瞬时流量，包括：
[0069][0070]
其中，q表示瞬时流量，k为修正系数，wi为对应声道的求积系数，r为管道内半径，xi为对应管道的求积节点位置，v1、v2、v3分别为第一声道、第二声道和第三声道的线速度，v
o1
为对照实验测量出的第一声道的线速度。
[0071]
在本实施例中，相比于传统的权重系数法进行的声道布局，改进后的任意两个声道在均匀稳定的流场中没有近似相等的，在均匀稳定的流场中，不增加声道数测量更多的速度梯度，提高了测量结果的精确性，第三声道靠近管道底部，对底部沉积的杂质更加敏感，对底部有杂质的情况测量的更加准确。
[0072]
根据本公开的一些实施例，操作s201中，将超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置包括利用gauss-legendre权重系数法将三声道超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置。
[0073]
根据本公开的一些实施例，表1为gauss-legendre权重系数法的求积节点和求积系数。
[0074]
表1
[0075][0076]
图3是根据本公开的示例性实施例的多声道超声波气体流量计的声道设置示意图，图4是根据本公开的示例性实施例的管道底部沉积污垢的示意图。
[0077]
根据本公开的一些实施例，由于大多数情况下，流体流速大约关于圆心对称，而gauss-legendre权重系数法的求积节点关于圆心对称，以三声道为例，根据gauss-legendre的求积节点，如图1所示，三个声道与圆心的位置分别是-0.774596669r，0r，
0.774596669r，声道一和声道三平行对称分布在声道二的两侧。
[0078]
在本实施例中，由于声道一与声道三所测出的线速度值相差不大，因此，我们可以假设关于圆心对称的两个弦声道的线速度是相等的，相关技术中，只测量两个梯度的的线速度显然不够全面，误差累计较大，测量精度低。在本技术中，利用gauss-legendre权重系数法的求积节点的对称性，按照节点数为5的求积节点进行布置，如图3和图4所示，将超声波流量计的换能器位置从上往下依次布置5个节点，可选的5个节点分别为
±
0.906179846r、
±
0.538459310r、0r。其中，理想状态下，节点一和节点五的线速度相等，节点二和节点四的线速度相等，基于此，选取节点二、节点三以及节点五作为第一声道、第二声道以及第三声道。通过上述方式设置的三个声道的线速度各不相同，数据的有效率高，测量结果准确，并且，相对于现有技术来说，第三声道更靠近管底部，其线速度受管底的污垢影响较大，能够更准确的测量出管道内积液或者存在污垢的情况下的气体流量。
[0079]
根据本公开的一些实施例，在管道内出现冰堵，管壁污垢等现象，会导致管底部会有杂质沉积，从而使得流场的对称性较差。
[0080]
根据本公开的一些实施例，第一声道、第二声道和第三声道的线速度的方法包括：
[0081][0082]
其中，l为声道长度，θ为声波与流速夹角，tu为声道逆行传播时间，td为声道顺行传播时间。
[0083]
根据本公开的一些实施例，对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验还包括：对记录的数据进行拟合得到v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
以及
[0084]
根据本公开的一些实施例，三个声道与圆心位置分别为-0.538459310r，0r，0.906179846r。
[0085]
根据本公开的一些实施例，采用与待测量的管道相同的环境进行对照实验还包括：用五声道超声波流量计对理想流场的不同入口速度进行实验，并记录不同速度下的五个声道的线平均速度，用曲线拟合出第三五的线速度差值在实际测量中，利用理想的方法即式(1)求出面平均速度后，将测出来的第二声道和第三声道的线速度差值与相同面平均速度下的进行对比，如误差大于预设阈值(例如10％、15％、20％)，则判定管道底部存在污垢沉积，则进行后续比对获得污垢沉积，若误差小于预设阈值，则判断管道底部不存在污垢沉积或者污垢沉积对流量测量的影响在允许范围内，可采用如下计算方式计算流量：
[0086][0087]
其中，q表示瞬时流量，k为修正系数，wi为对应声道的求积系数，r为管道内半径，xi为对应管道的求积节点位置，vi为对应声道的线速度。
[0088]
本公开的第二方面提供了一种多声道超声波气体流量计的测量装置，包括：声道布置模块、第一计算模块、第二计算模块、对照试验模块、比对模块和第三计算模块。
[0089]
声道布置模块，将超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置，其中，节点数2、3、5分别对应第一声道、第二声道和第三声道；
[0090]
根据本公开的一些实施例，第一计算模块用于计算待测量的管道内气体的面速度，包括：
[0091][0092]
其中，wi为第i个声道的的求积系数，vi为第i个声道的线平均速度。
[0093]
根据本公开的一些实施例，第二计算模块用于计算第二声道与第三声道的速度差值，包括：
[0094][0095]
其中，为第二声道与第三声道的线速度差值，v2为第二声道的线速度值，v3为第三声道的线速度值。
[0096]
根据本公开的一些实施例，对照试验模块采用与待测量的管道相同的环境进行对照实验，用五声道超声波流量计对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验，记录五个声道的线速度值v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
，计算管道内气体的面速度以及第三声道与第五声道的速度差值
[0097]
根据本公开的一些实施例，比对模块用于将计算获得的面速度与线速度差值与对照组实验得出的面速度和线速度差进行比对获得管底污垢厚度h。
[0098]
根据本公开的一些实施例，三计算模块用于计算管底污垢厚度h的情况下管道的瞬时流量，包括：
[0099][0100]
其中，q表示瞬时流量，k为修正系数，wi为对应声道的求积系数，r为管道内半径，xi为对应管道的求积节点位置，v1、v2、v3分别为第一声道、第二声道和第三声道的线速度，v
o1
为对照实验测量出的第一声道的线速度。
[0101]
根据本公开的一些实施例，第一计算模块还包括:计算第一声道、第二声道和第三声道的线速度，包括：
[0102][0103]
其中，l为声道长度，θ为声波与流速夹角，tu为声道逆行传播时间，td为声道顺行传播时间。
[0104]
根据本公开的一些实施例，对照试验模块还包括：对记录的数据进行拟合得到v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
以及
[0105]
根据本公开的一些实施例，声道布置模块利用gauss-legendre权重系数法将三声道超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置。
[0106]
本公开的第三方面提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行上述方法。
[0107]
本公开的第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，
该指令被处理器执行时使处理器执行上述方法。
[0108]
本公开的第五方面还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法。
[0109]
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各零部件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
[0110]
还需要说明的是，在本公开的具体实施例中，除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的尺寸、范围条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中
±
10％的变化、在一些实施例中
±
5％的变化、在一些实施例中
±
1％的变化、在一些实施例中
±
0.5％的变化。
[0111]
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
[0112]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多声道超声波气体流量计的测量方法，其特征在于，包括：将超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置，其中，节点数2、3、5分别对应第一声道、第二声道和第三声道；计算待测量的管道内气体的面速度，包括：其中，w
i
为第i个声道的的求积系数，v
i
为第i个声道的线平均速度；计算第二声道与第三声道的速度差值，包括：其中，为第二声道与第三声道的线速度差值，v2为第二声道的线速度值，v3为第三声道的线速度值；采用与待测量的管道相同的环境进行对照实验，用五声道超声波流量计对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验，记录五个声道的线速度值v
01
，v
02
，v
03
，v
04
，v
05
，计算管道内气体的面速度以及第三声道与第五声道的速度差值将计算获得的面速度与线速度差值与对照组实验得出的面速度和线速度差进行比对获得管底污垢厚度h；以及计算管底污垢厚度h的情况下管道的瞬时流量，包括：其中，q表示瞬时流量，k为修正系数，w
i
为对应声道的求积系数，r为管道内半径，x
i
为对应管道的求积节点位置，v1、v2、v3分别为第一声道、第二声道和第三声道的线速度，v
o1
为对照实验测量出的第一声道的线速度。2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第一声道、所述第二声道和所述第三声道的线速度的方法包括：其中，l为声道长度，θ为声波与流速夹角，t
u
为声道逆行传播时间，t
d
为声道顺行传播时间。3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验还包括：对记录的数据进行拟合得到v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
以及4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，三个声道与圆心位置分别为-0.538459310r，0r，0.906179846r。5.一种多声道超声波气体流量计的测量装置，其特征在于，包括：声道布置模块，适用于将超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置，其中，节点数2、3、5分别对应第一声道、第二声道和第三声道；第一计算模块，计算待测量的管道内气体的面速度，包括：
其中，w
i
为第i个声道的的求积系数，v
i
为第i个声道的线平均速度；第二计算模块，计算第二声道与第三声道的速度差值，包括：其中，为第二声道与第三声道的线速度差值，v2为第二声道的线速度值，v3为第三声道的线速度值；对照试验模块，采用与待测量的管道相同的环境进行对照实验，用五声道超声波流量计对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验，记录五个声道的线速度v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
，计算管道内气体的面速度以及第三声道与第二声道的线速度差值比对模块，将计算获得的面速度与线速度差值与对照组实验得出的面速度和线速度差进行比对获得管底污垢厚度h；以及第三计算模块，计算管底污垢厚度h的情况下管道的瞬时流量，包括：其中，q表示瞬时流量，k为修正系数，w
i
为对应声道的求积系数，r为管道内半径，x
i
为对应管道的求积节点位置，v1、v2、v3分别为第一声道、第二声道和第三声道的线速度，v
o1
为对照实验测量出的第一声道的线速度。6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述第一计算模块还包括:计算第一声道、所述第二声道和所述第三声道的线速度，包括：其中，l为声道长度，θ为声波与流速夹角，t
u
为声道逆行传播时间，t
d
为声道顺行传播时间。7.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述对照试验模块还包括：对记录的数据进行拟合得到v
o1
，v
o2
，v
o3
，v
o4
，v
o5
，以及8.一种电子设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行根据权利要求1～4中任一项所述的方法。9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器执行根据权利要求1～4中任一项所述的方法。

技术总结
本公开提供了一种多声道超声波气体流量计的测量方法，测量方法包括：将超声波流量计的换能器位置按照节点数为5的求积节点进行布置，其中，节点数2、3、5分别对应第一声道、第二声道和第三声道；计算待测量的管道内气体的面速度以及第二声道与第三声道的速度差值；采用与待测量的管道相同的环境进行对照实验，用五声道超声波流量计对理想流场的不同入口速度不同管底污垢厚度下进行实验，记录五个声道的线速度值，计算管道内气体的面速度以及第三声道与第五声道的速度差值；将计算获得的面速度与线速度差值与对照组进行比对获得管底污垢厚度h，计算管底污垢厚度h的情况下管道的瞬时流量。流量。流量。


技术研发人员：陈世利 刘子君
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2023.08.15
技术公布日：2023/10/15