[发明专利]超声波热量表表体及其三维反射面位置参数的确定方法

说明书

技术领域

 本发明涉及超声波热量表结构技术领域，具体地说是一种三维多反射声道的时差法超声波热量表表体及其三维反射面位置参数的确定方法。

背景技术

 时差法超声波热量表是目前应用最广泛的超声波热量表之一，其工作原理是:安装在流体管道同侧或两侧的超声波换能器交替发射和接收流体中声波信号，按一定的声波路径传播，测量顺逆流声波传播的时间差，经二次仪表数学运算后得出流量值及热量值。基于时差法测量出的是超声波声道上流体的线平均速度，它不能作为管道截面积上的面平均流速来计算流体的流量，必须在计算流量时，利用流速分布修正系数K对声道上的线平均流速进行修正。K系数为超声波声道上流体线平均流速与管道横截面上的流体面平均流速的比值，而K系数与超声波传播声道的设置方式及流体雷诺数和温度的变化有关。

现有市场的热量表多采用单声道传播方式，换能器的安装位置和声波传播路径一般采用平行式、Z型、V型及W型 ，这四种换能器安装位置所形成均是经过管道轴线的声程，均需要根据流体雷诺数和温度的变化进行K系数的修正补偿，否则难于实现在流量和温度较大变化范围内流量值及热量值的合格测量精度，尤其小流量下的测量精度更低，不能达到产品标准的要求，严重时甚至无法正常使用。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提出一种三维多反射声道超声波热量表体及其三维反射面位置参数的确定方法，用于实现无需进行流速分布系数K值和温度变化的修正补偿，即可在较大流量和温度变化范围内通过二次仪表对时差法进行数学运算，获得流量值及热量值较高的测量精度的目的。

本发明的技术措施是：

一种超声波热量表表体，包括一用于进行流量测量的水平放置的测量管，以及分别用于向测量管内流动液体发射或接收超声波的两个换能器，其中两个换能器固定在测量管管体顶部的管壁上，其特征在于所述测量管为方形管道，测量管底面内壁上设有两个位置分别与两个换能器相对应的三维反射面，测量管的两个侧面内壁以及顶面内壁上分别设有一个反射壁面，使用于发射超声波的换能器发射的超声波依次经过三维反射面、侧壁反射壁面、顶壁反射壁面、另一侧壁反射壁面、另一三维发射面的反射后进入用于接收超声波的换能器。

本发明通过上述结构，即在方形管道流量测量管的下部，采用由三维坐标设置的相对于发射或接收换能器的两个三维反射面，其与流动方向的左侧、右侧及上部的三个充分光滑反射壁面，构成三维空间多次反射声道，此声道可使超声波换能器发射或接收的超声波信号，由传统单声道经过管道轴线的传播声程发展到多维面传播声程，实现超声波全方位扫描方形管道内流体全部流通空间，从而减少流速分布的畸变影响，无需进行流量分布系数K值和温度变化的修正，即可在较大流量和温度变化范围内，经过二次仪表对时间差数学运算，获得流量值及热量值较高的测量精度。

一种三维多反射声道超声波热量表表体的三维反射面位置参数的确定方法，其特征在于包括以下步骤；

步骤1：建立三维反射面空间平面方程的数学模型，以方形管道中用于发射或接收超声波的换能器的超声波中心声道和位置与该换能器相对应的三维反射面的交点为原点0（X₀，Y₀，Z₀），以该换能器的发射或接收声道线与其反射声道线的夹角的角平分线ON为该三维反射面的法线，设N点的坐标为N(A、B、C)，则N(A、B、C)点为法线ON与流体流向方向的左侧反射壁面的交点。

设L为发射或接收换能器的中心距，M和N分别为矩形管道横截面边长，即                                                 ，且三维反射面4通过三维直角坐标系原点O（X₀，Y₀，Z₀），其法线ON的方向数为：

则用点法式获得表示三维反射面4的空间平面方程，即将A，B，C代入下式（1）中：

A(X-X₀)+B(Y-Y₀)+C(Z-Z₀)=0 (A,B,C不同时等于零)---- ---(1)

求得三维反射面空间平面方程的数学模型为：

 ------------------(2)

步骤2：根据所得数学模型，计算该三维反射面法线的各方向角度数，即可确定该三维反射面的位置参数：

三维反射面4法线ON的方向余弦为：