本发明专利技术提供一种测量流体速度的方法，该方法考虑流体的流动特征，将一流动路径的横截面分成三部分，并构建分别适合于该三部分的函数，即第一函数Ｖ↓［ｉ］（ｘ）＝ａ↓［ｉ－１］（ｘ↓［ｉ＋１］－ｘ）↑［３］／６ｈ↓［ｉ］＋ａ↓［ｉ］（ｘ－ｘ↓［ｉ］）↑［３］／６ｈ↓［ｉ］＋（ｙ↓［ｉ］／ｈ↓［ｉ］－ａ↓［ｉ＋１］ｈ↓［ｉ］／６）（ｘ↓［ｉ＋１］－ｘ）＋（ｙ↓［ｉ＋１］／ｈ↓［ｉ］－ａ↓［ｉ］ｈ↓［ｉ］／６）（ｘ－ｘ↓［ｉ］），第二函数Ｖ↓［ｊ］（ｘ）＝ｓ↓［３］×Ｖ↓［０］×（１－ｅｘｐ（－ｘ／ｓ↓［４］２ｒ）），以及第三函数Ｖ↓［ｋ］（ｘ）＝ｓ↓［３］×Ｖ↓［０］×（１－ｅｘｐ（－ｘ／ｓ↓［４］２ｒ））。该三个函数反映了在管路中流动的流体的真实的速度分布曲线，因而所测得的流体速度的误差范围相当小。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用超声波测量流体速度的方法，特别是涉及一种精确测量在管中流动的流体的速度地方法。
技术介绍
很多工业领域使用象气体或液体的流体。例如，通过管道提供城市用气和原油，建设露天沟渠提供农业用水，在钢铁、化工和石油行业等使用循环冷水，建立供水和排水系统设施以向住户和工厂供水和排泄住户和工厂产生的污水。在这些领域，精确地调整和管理流体的流量尤为重要。一般地，使用流量计来测量流动路径中流体的流量。近年来，已广泛使用安装在流动路径上的超声传感器，通过其接收和发送超声波来测量流体速度的方法，然后应用测得的流体速度来计算流体流量。相应地，利用超声传感器精确测量流体速度显得尤为重要。图1为描述利用超声传感器测量流体速度的方法的示意图。请参阅图1所示，流体的流量由下面的公式确定Q＝A×VQ流体流量A流体流动路径的横截面积V流体的平均速度已知流动路径中流体的横截面积和流体速度，可容易地计算流体的流量。假定流体充满流动路径，流体的横截面积就等于流动路径的横截面积。否则，若采用超声波多束流量计(ultrasonic_multi-beam_flow_meter)来测量流体速度，一般则基于传输时间差。更加具体的讲，在流动路径的A点和B点相互对称地安装一对超声传感器，以使线段AB与流体的流动方向构成一夹角(θ)。假定在流动路径中流体不流动时超声传感器发射的超声波在流体中的速度为C，流体的平均速度为V，两超声传感器之间的距离为L，从A发射的超声波到达B所需时间为tAB，从B发射的超声波到达A的所需时间为tBA，则tAB、tBA给定如下 tBA=LC-Vcos&;theta;,tAB=LC+Vcosθ]]>超声波相对于流体流动的方向向前发射(从A到B)时的传输时间tAB比超声波相对于流体流动的方向向后发射(从B到A)时的传输时间tBA较短，其时间差Δt为Δt=tBA-tAB=2VLcosθC2(1-V2cosθC2)]]>由于 很小，可忽略不计，流体的平均速度为V=ΔtC22Lcosθ]]>该速度为流体在对称安装的一对超声传感器之间直线流动的速度。由流体的横截面积乘以测得的流体速度所得到的流体流量，产生很大的误差，这是因为流体的速度是变化的。图2A描述一流体管道10，其半径为r，构成流体流动路径，其上装有5对超声传感器21，22，23，24和25。图2B为描述利用图1中流体管道10和5对超声传感器所测量的流体速度分布曲线。参见图2A，流经流动路径P管壁的流体速度V很低，而流经流动路径P中心位置的流体速度高。因此，图2B所示的流体速度分布曲线为一抛物线。如果流体流动路径P中的流体是均匀流动的，则形成的速度分布曲线对称于管道10的中心。沿着管道10的管壁流动的流体由于与管壁发生摩擦，其流速V较低，而流经流动路径P的中心位置的流体由于与管壁发生的摩擦较少，其流速V较高。因此，将流体的横截面积乘于由任意一对超声传感器测得的流体速度，是不可能计算出流体的流量的。如图2A所示，该组超声传感器沿着流动路径半径周界安装，利用每对超声传感器测得的流体速度计算出流体的平均速度，再将流体的横截面积乘于该平均速度计算出流体的流量。按照惯例，在利用由每对超声传感器获得的流体速度计算流体的平均速度时，使用加权系数法。该加权系数法将加权系数W与由超声传感器测得的流体速度的乘积加在一起。如图2A所示，5对超声传感器21，22，23，24和25，间隔地安装在流动路径P的半径为r的周界上，所测得流体速度V1到V5。将加权系数W1到W5分别与速度V1到V5的乘积求和，计算出流体平均速度Vmean如下Vmean＝W1V1+W2V2+W3V3+W4V4+W5V5于是，将该平均速度Vmean乘于流体的(流体流动路径)横截面积A得到流体的流量如下Q＝Vmean×A＝(W1V1+W2V2+W3V3+W4V4+W5V5)×A加权系数W1到W5，由影响流体速度的系数例如摩擦系数确定，因制造商的不同而不同。如上所示，传统的加权系数法将加权系数W乘以测得的速度V，以纠正由于流体与管道之间的摩擦、雷诺数(Reynolds_Number)引起的流体湍流(turbulent_flow)等因素所产生的速度误差。换言之，传统加权系数法是将加权系数与多对超声传感器测得的速度值相乘，计算出平均速度的代表值的近似值。相应地，这种方法不能精确地计算流动路径中流动的流体的速度的分布曲线，因此，所计算出的流体的流量具有很大的误差。
技术实现思路
本专利技术提供一测量流体速度的方法，该方法考虑流体的流动特征，将流动路径的横截面分成三部分，并提出该三部分合适的速度函数，以反应流动路径中流动的流体的实际速度分布曲线，从而提供流体速度的精确值。根据本专利技术的特征，本专利技术所提供的测量流体的流动速度的方法包括设定半径为r的流体流动路径的一半径方向为X轴，在X轴(0≤x≤2r)上设定n个坐标(xi，i＝1，2，3...n)，分别对应于每一对在坐标xi处垂直于X轴的n条直线上的关于X轴上下对称的接收和发射超声波的超声传感器，并在流动路径上平行地安装n对超声传感器；每对安装在坐标xi(i＝1，2，3…n)上下位置的超声传感器接收和发送超声波来测量流体速度Vi(i＝1，2…n)；利用安装在X轴上点x1和点x2上下位置的超声传感器测得的速度V1和V2，应用公式V0＝V1×s1×(s2×V1/V2)2(其中0.7≤s1≤0.8以及1.1≤s2≤1.2)，计算点x＝0处的流体速度V0；利用安装在X轴上点xn-1和xn上下位置的超声传感器测得的速度Vn-1和Vn，应用公式Vf＝Vn×s1×(s2×Vn/Vn-1)2(其中0.7≤s1≤0.8以及1.1≤s2≤1.2)，计算点x＝2r处的流体速度Vf；得到一流体速度的第一函数Vi(x)，在三次样条函数插值公式中(其中x是可变量)代入xi，Vi(i＝1，2，3，4，5)，以及V0，Vf，可得到如下关于区域xi≤x≤xi+1中的流体区域速度的区域多项式(polynomial)，Vi(x)=ai-1(xi+1-x)36hi+ai(x-xi)36hi+(yihi-ai+1hi6)(xi+1-x)+(yi-1hi-aihi6)(x-xi)]]>其中，hi6ai-1+hi+hi+13ai+hi+16ai+1=yi+2-yi+1hi+1-yi+1-yihi,]]>i＝0，1，2…n-1，a-1＝an(an-1)＝0，hi＝xi+1-xi，以及Vi代表区域xi≤x≤xi+1；中的流体速度；考虑流体流动路径的管壁在区域0≤x＜xa(这里，0＜xa＜x1)中影响流体的速度，利用V0，在区域0≤x＜xa中，把x设为可变量，得到流体速度的第二函数Vj(x)＝s3×V0×(1-exp(-x/s42r))，其中，0.2≤s3≤0.4，0.005≤s4≤0.015；考虑流体流动路径的管壁在区域xb≤x＜2r(这里，0＜xb＜x2r)中影响流体的速度，利用Vf，在区域xb≤x＜2r中，把x设为可变量，得到流体速度的第三函数Vk(x)＝s3×Vf×(本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种测量流体流动速度的方法，其特征在于其包括以下步骤：设定半径为ｒ的流体流动路径的一半径方向为Ｘ－轴，在Ｘ－轴（０≤ｘ≤２ｒ）上设定ｎ个坐标（ｘ↓［ｉ］，ｉ＝１，２，３…ｎ），将每一对接收和发送超声波的超声传感器对称地配置于在ｘ↓［ ｉ］坐标处垂直于Ｘ－轴的ｎ条直线上的位于Ｘ－轴上方和下方的位置，在流动路径上所安装的ｎ对超声传感器相互平行；每一对安装在坐标ｘ↓［ｉ］（ｉ＝１，２，３…ｎ）处的上下位置的超声传感器，通过接收和发送超声波来测量流体速度Ｖ↓［ｉ］，（ｉ ＝１，２，３…ｎ）；利用位于Ｘ－坐标上点ｘ↓［１］和点ｘ↓［２］的上、下位置的每对超声传感器测得的速度Ｖ↓［１］和Ｖ↓［２］，由一公式Ｖ↓［０］＝Ｖ↓［１］×ｓ↓［１］×（ｓ↓［２］×Ｖ↓［１］／Ｖ↓［２］）↑［２］计算点ｘ＝０的流 体速度Ｖ↓［０］，其中０．７≤ｓ↓［１］≤０．８以及１．１≤ｓ↓［２］≤１．２；利用位于Ｘ－坐标上点ｘ↓［ｎ－１］和点ｘ↓［ｎ］的上、下位置的每对超声传感器测得的速度Ｖ↓［ｎ－１］和Ｖ↓［ｎ］，由一公式Ｖ↓［ｆ］＝Ｖ↓［ｎ］×ｓ↓［ １］×（ｓ↓［２］×Ｖ↓［ｎ］／Ｖ↓［ｎ－１］）↑［２］计算点ｘ＝２ｒ的流体速度Ｖ↓［ｆ］，其中０．７≤ｓ↓［１］≤０．８以及１．１≤ｓ↓［２］≤１．２；在三次样条函数插值公式中（其中ｘ是可变量）代入ｘ↓［ｉ］，Ｖ↓［ｉ］（ｉ＝１， ２，３，４，５），以及Ｖ↓［０］，Ｖ↓［ｆ］，得到关于在区域ｘ↓［ｉ］≤ｘ≤ｘ↓［ｉ＋１］中的流体区域速度的区域多项式，从而获得流体速度的第一函数Ｖ↓［ｉ］（ｘ）Ｖ↓［ｉ］（ｘ）＝ａ↓［ｉ－１］（ｘ↓［ｉ＋１］－ｘ）↑［３］／６ｈ↓ ［ｉ］＋ａ↓［ｉ］（ｘ－ｘ↓［ｉ］）↑［３］／６ｈ↓［ｉ］＋（ｙ↓［ｉ］／ｈ↓［ｉ］－ａ↓［ｉ＋１］ｈ↓［ｉ］／６）（ｘ↓［ｉ＋１］－ｘ）＋（ｙ↓［ｉ＋１］／ｈ↓［ｉ］－ａ↓［ｉ］ｈ↓［ｉ］／６）（ｘ－ｘ↓［ｉ］）这里，ｈ↓［ｉ］／ ６ａ↓［ｉ－１］＋ｈ↓［ｉ］＋ｈ↓［ｉ＋１］／３ａ↓［ｉ］＋ｈ↓［ｉ＋１］／６ａ↓［ｉ＋１］＝ｙ↓［ｉ＋２］－ｙ↓［ｉ－１］／ｈ↓［ｉ＋１］－ｙ↓［ｉ＋１］－ｙ↓［ｉ］／ｈ↓［ｉ］ｉ＝０，１，２…ｎ－１，ａ↓［－１］＝ａ↓［ｎ］（ａ ↓［ｎ－１］）＝０，ｈ↓［ｉ］＝ｘ↓［ｉ＋１］－ｘ↓［ｉ］，以及Ｖ↓［ｉ］代表区域ｘ↓［ｉ］≤ｘ≤ｘ↓［ｉ＋１］中的流体速度；...
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：金秉灿，
申请(专利权)人：昌民TECH株式会社，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]
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