一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计

本发明涉及流量测量，具体为一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计。

背景技术：

1、超声流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的原理开发的流量计，主要由换能器和转换器组成，有多普勒法、速度差法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型。

2、现有的超声流量计，每个换能器既为发射换能器，又为接收换能器，能够沿着介质流动方向与逆向交替的发射与接收超声测量信号，并通过超声流量计变送器进行各个通道顺流和逆流传播时间测量的转换，最终输出测量管道内介质的传播流速及其瞬时流量数据。

3、但是，现有的超声流量计中，由于换能器的特性存在差异以及安装尺寸存在差距，导致各个通道的声程的不同，加之管道介质的流场的影响，层流、紊流的存在，使得每次测量接收到的回波电信号幅值不同，并且信号强度也不稳定。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计，解决了低流速测量精度严重不足和整流结构设计存在固有缺陷的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计，包括：

3、超声测量管，超声测量管利用超声波在流体中的传播速度差来精确测量流体的流速和流量，所述超声测量管的顶部固定连接有连接板，所述连接板的顶部设置有led显示屏；

4、所述超声测量管的一侧固定连接有渐变导流管，所述超声测量管的外壁一侧贯穿并固定连接有超声换能器二，所述超声测量管的外壁另一侧贯穿并固定连接有超声换能器一，所述超声测量管的另一端设置有整流组件，整流组件用于消除上游管道带来的大尺度漩涡与流速畸变，实现两级分级整流。

5、优选的，所述整流组件包括稳流收缩管，所述稳流收缩管的一侧与超声测量管的另一侧固定连接，所述稳流收缩管的一侧固定连接有分级整流管。

6、优选的，所述分级整流管的内壁一侧固定连接有分布均匀的流线型导流柱，所述分级整流管的内壁另一侧固定连接有整流板。

7、优选的，所述整流板的一侧开设有若干六边形蜂窝孔道，所述六边形蜂窝孔道的内壁均设置有仿生鱼鳃型微弧面。

8、优选的，相邻所述六边形蜂窝孔道之间开设有分布均匀的微型导流槽。

9、优选的，所述渐变导流管和分级整流管的一侧均固定连接有法兰，所述法兰的一侧均设置有密封垫，所述法兰和密封垫的一侧均开设有通孔。

10、优选的，一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计的流量测量方法，包括以下步骤：

11、s1：流体整流稳流

12、流体进入流道后，经前置仿生分级整流段消除漩涡与紊流，再经等曲率稳流收缩段均匀流速分布，形成轴对称稳定流场进入测量段；

13、s2：双声道超声测量

14、双声道换能器对交替发射与接收超声波，信号采集电路采集顺流、逆流超声波信号，测量传播时间差；

15、s3：智能信号处理与流量计算

16、fpga 芯片对信号进行滤波、特征提取，精准计算传播时间；dsp 芯片结合低流速流场修正模型，对双声道流速数据加权平均，计算流体平均流速，结合温压补偿换算得到体积流量；

17、s4：数据显示与传输

18、实时显示流量数据，通过通讯接口实现远程数据传输与设备监控。

19、工作原理：一、流体分级整流与稳流阶段

20、流体进入流量计后，通过内置整流稳流流道矫正流场，消除扰动，为低流速精准测量创造轴对称稳定流场，具体过程如下：

21、两级分级整流：流体先进入分级整流管，经第一级6根水滴形流线型导流柱，打散上游管道结构产生的大尺度漩涡，避免二次涡流，阻力损失≤50pa；再经第二级仿生鱼鳃型蜂窝整流板，通过六边形孔道微弧面及微型导流槽，消除小尺度紊流，使流体沿轴向平行流动，整流后流速不均匀度≤5%；

22、稳流收缩匀场：整流后的流体进入稳流收缩管，通过双曲型等曲率渐变结构（收缩比1.2:1）平稳收缩加速，避免边界层分离，均匀截面流速分布，在超声测量管入口形成稳定轴对称流场；

23、后置导流消扰：测量后的流体流经渐变导流管，通过1:1.2等曲率扩口结构平稳扩流，避免出口回流、涡流，消除下游管道干扰，降低整体阻力损失；

24、二、双声道超声时差法测量阶段

25、稳定流体进入超声测量管后，双声道单元基于时差法采集流速数据，覆盖全流道，解决低流速测量盲区与信号衰减问题，具体过程如下：

26、两组超声换能器在智能模块驱动下，交替发射、接收顺流、逆流超声波；超声换能器一（45°v型反射式）采集主流区传播时间，超声换能器二（60°直射式）采集近壁区传播时间，弥补测量盲区；

27、1mhz高灵敏度压电陶瓷换能器，可稳定发射并捕捉微弱回波（信噪比≥30db）；高速采集电路以≥100msps采样率完成信号模数转换，输出原始信号供后续计算；

28、三、双核智能信号处理与流量计算阶段

29、采集的超声波信号传输至智能模块，通过fpga+dsp双核架构完成信号处理与流量计算，解决低流速弱信号测量误差问题，具体过程如下：

30、信号预处理与时间计算：fpga芯片对回波信号进行自适应滤波降噪，提取信号特征，精准识别超声波起跳点，计算传播时间，分辨率达0.5ns，保障时间差测量精度；

31、流速加权与流量修正：dsp芯片基于时差法初步计算双声道流速，通过低流速流场修正模型加权平均得到截面平均流速，结合温压补偿消除工况偏差，最终换算为瞬时、累计体积流量；

32、四、数据显示、传输与设备监控阶段

33、计算后的流量、流速、温压及设备状态等数据，实时显示于led显示屏，支持按键设置与校准操作；

34、数据可通过rs485、modbus-rtu、4g/nb-iot接口远程传输监控；内置故障自诊断与掉电保护功能，异常时自动报警。

35、本发明提供了一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计。具备以下有益效果：

36、1、本发明通过分级整流管、稳流收缩管、渐变导流管构成的同轴一体式流道，完成流体两级整流、匀场稳流与消扰扩流，构建低扰动的轴对称稳定测量流场，再通过双声道复合布局的高灵敏度超声换能器与高速采集电路，完成全流道顺逆流超声波信号的精准采集，为流量计算提供可靠的基础数据。

37、2、本发明通过fpga+dsp双核智能架构，完成超声波回波信号的自适应降噪、特征提取与传播时间高精度计算，结合内置低流速流场修正模型与温压补偿完成流量精准换算，最终实现流量数据的本地可视化展示、远程传输监控，并通过故障自诊断、掉电保护功能保障设备长期稳定运行。

1.一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计，其特征在于，所述整流组件包括稳流收缩管（2），所述稳流收缩管（2）的一侧与超声测量管（3）的另一侧固定连接，所述稳流收缩管（2）的一侧固定连接有分级整流管（1）。

3.根据权利要求2所述的一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计，其特征在于，所述分级整流管（1）的内壁一侧固定连接有分布均匀的流线型导流柱（10），所述分级整流管（1）的内壁另一侧固定连接有整流板（11）。

4.根据权利要求3所述的一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计，其特征在于，所述整流板（11）的一侧开设有若干六边形蜂窝孔道，所述六边形蜂窝孔道的内壁均设置有仿生鱼鳃型微弧面（13）。

5.根据权利要求4所述的一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计，其特征在于，相邻所述六边形蜂窝孔道之间开设有分布均匀的微型导流槽（12）。

6.根据权利要求1-2所述的一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计，其特征在于，所述渐变导流管（4）和分级整流管（1）的一侧均固定连接有法兰（5），所述法兰（5）的一侧均设置有密封垫（6），所述法兰（5）和密封垫（6）的一侧均开设有通孔（14）。

7.一种内置整流稳流流道结构的低流速高精度超声流量计的流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：