[发明专利]一种基于超声波旁流原理的气体流量测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及气体流量检测领域，尤其涉及一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置及方法，属新型计量器械测量领域。

背景技术

目前对气体流量的测量中,气体的腐蚀、水分的冷凝的干扰、大管径气体流场的不均匀性，气体的超量程的适应性等是不同气体流量测量原理所面临的不同挑战。差压式气体流量计：测量精度普遍偏低，测量范围窄，对现场直管段要求高、压损过大，超量程甚至会损坏测量元件，腐蚀性气体对差压元件也具有腐蚀的风险；涡街气体流量计：量程比较小，受震动影响大，小量程段测量不稳定，几乎无法测量，且传感元件耐腐蚀性较差；热式气体流量计：优点是量程比很宽，微小流量具有很好优势，其主要缺陷是气体浓度变化会对流量造成影响，需要气体成分的辅助分析来测量体积流量，采用不锈钢的探头的热式气体流量计抗腐蚀性好，但是响应速度慢，采用MEMS热式传感器主流(Mainstream)或者旁流(Sidestream)的热式气体流量计：例如文献US6779395B2，提出一种用于测量旁路中气体或液体流量的装置，首次提出了应用旁路解决大管径流体的测量方案，其响应速度快，但是抗腐蚀性差，抗污染性差；超声波气体流量计：可以达到类似热式流量计的高量程比，1:160的量程比依然可以获得很高的精度。能够适宜腐蚀性气体，例如沼气的流量测量。相比热式气体流量计，超声波气体流量计测量体积不受气体成分的影响的。相比差压式和涡街气体流量计，超声波气体流量计几乎没有压损，无机械可动部件，长期运行无须特殊维护，便于安装，稳定可靠。此外，超声波流量计在测量气体流量的同时，对于某些场合，还可以同时测量成分，例如文献CN103454344A，在国内首次提出了应用超声波原理，可解决气体成分与流量的同时测量，但目前的超声波气体流量计面临的几个挑战是：(1)在高超声波吸收的气体中，例如在高浓度CO2的沼气和高浓度CO2天然气中，超声波的信号由于能量吸收信号非常小，容易造成误差甚至错误，管径越大，问题越严重。(2)应用在大管径场合时，不能保证截面流场分布均匀性，造成测量误差，(3)测量管道存在水分冷凝时，例如在沼气领域，测量从发酵罐出来的沼气，由于水分冷凝的问题不能及时排除，将会造成超声波探头渍水，导致测量精度下降甚至测试失效。

通过对现有技术分析发现，运用超声波技术测量气体流量优势较明显 (宽量程比，压阻小，还可以测量成分等)，但目前亟待解决超声波气体测量技术应用在高水分气体例如沼气成分的测量领域，以及大管径、高超声波能吸收气体等领域的气体流量测试问题。

发明内容

基于以上问题，本发明提出一种基于超声波旁流原理的气体流量测量装置及方法，通过在主管道一侧设置旁流管道，并且在主管道内设置阻流件构成限流通道；可选择在限流通道阻流件处开孔，可减少冷凝水分在管道内滞留，能够消除水分对测量的影响；通过在旁流管道设置超声波探头，测量旁流管道超声波顺流和逆流的时间差值，应用最小二乘法，确定旁流管道时间差值对应的主管道标准流量值之间的单调递增关系，可以测量气体流量。应用该发明：(1)可有效解决冷凝水分可能对超声波气体流量计的影响；(2)对于大管径的气体流量测量领域，对流场的均匀性要求大大降低；(3)对于高超声波吸收的气体中，例如高浓度CO2的沼气和高CO2 天然气中，即使主管径的管径成倍增长，旁流管道的测量装置可以不变化或者变化很小，这样在含高超声波能量吸收气体的旁流管道中，一旦确定合适的结构，就可以固定下来，而不需根据主管道的管径变化而变化，这样可以实现超声波气体流量计测量部分的标准化，使得超声波气体流量计的适应性，容错性更强，精度更高。

本发明通过下述技术方案得以解决：

一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，其特征是：包括主管道、旁流管道，主管道与旁流管道连通，旁流管道位于主管道的侧面，主管道内设置至少一个阻流件，形成限流通道，旁流管道内设置超声波传感器，主管道、旁流管道、限流通道共同形成检测气道。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，所述阻流件成对设置，且设置在主管道内壁的上下部分。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，主管道与旁流管道通过至少两个辅助管道连通，阻流件设置在辅助管道与主管道的两个连通口之间，主管道中位于两个连通口之间的管道形成阻流通道。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，阻流件与主管道呈对称、或与管壁成夹角设置，形成限流通道。

在上述的一种基于超声波旁流原理的气体流量检测装置，在主管道内壁下部的阻流件上开有贯穿整个阻流件的水槽。