本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种利用声波信号标定节流孔板流量计的实验平台和方法。
背景技术：
流量测量是计量科学技术的重要组成部分，它已经被广泛应用于工农业生产、环境保护、科学研究、对外贸易、人民生活等各个领域，准确快速的流量测量对于保证产品质量、提高经济效益、节约能源、促进科学技术的发展等具有重要的作用。在能源危机日益凸显的时代，流量测量在国民经济中的地位与作用越来越重要。流量测量作为工业过程中关键的技术之一，一直受到广泛的关注和深入的研究.常见的流量测量计包括差压流量计、容积式流量计、转子流量计、电磁流量计、超声波流量计、科里奥利流量计等，其中又以差压式流量计研究最广泛。差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压、已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来测量流量的仪表。
节流孔板流量计是将标准孔板与多参数差压变送器(或差压变送器、温度变送器及压力变送器)配套组成的高量程比差压流量装置，可测量气体、蒸汽、液体及引的流量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。节流装置又称为差压式流量计，是由一次检测件(节流件)和二次装置(差压变送器和流量显示仪)组成广泛应用于气体。蒸汽和液体的流量测量。具有结构简单，维修方便，性能稳定。
但目前节流孔板流量计均是基于孔板前后的差压信号实现流量测量功能，而差压信号的获得需要基于压力变送器，一般的压力变送器价格是标准孔板本身价格的几倍，因此，传统节流孔板流量计实际主要成本在压力变送器。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提出来一种利用声波传感器，通过监测节流孔板在不同压力条件下的声波信号特征，进而计算出节流孔板的流量，变相实现了低价格的声波节流孔板流量计量的功能。
为达到上述目的，本发明所述一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，包括流量标定管路和储水箱组成的回路，所述流量标定管路上安装有循环水泵和节流孔板流量计，节流孔板流量计包括节流孔板、安装在所述节流孔板上的声波传感器和用于测量节流孔板板前压力的第一压力传感器，节流孔板后的流量标定管路上安装有标定流量计；所述标定流量计、第一压力传感器和声波传感器的输出端和数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端和数据分析平台的输入端连接；所述数据采集器用于将声波传感器、标定流量计和第一压力传感器收集的声波信号、流量信号和板前压力信号传输至数据分析平台，所述数据分析平台用于根据接收到的声波信号、流量信号和节流孔板的板前压力信号得到不同的板前压力下声波信号和节流孔板的节流孔板流量关系式。
进一步的，标定流量计采用电磁流量传感器、容积流量传感器、涡街流量传感器、涡轮流量传感器、超声波流量传感器或差压流量传感器。
进一步的，声波传感器为听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、压电阵列传感器、表面声波传感器、动态压力传感器、声波频率传感器、声波声压传感器、声波声强传感器、声波声功率传感器中的任意一种或n种的组合，n＞1。
进一步的，表面声波传感器为瑞利波传感器、光纤传感器、切向水平板模传感器、兰姆波传感器或乐甫波传感器中的任意一种或n种的组合，n＞1。
进一步的，听音器或拾音器类型的声波传感器布置在的节流孔板外壳，且垂直于节流孔板3轴向的中心位置。
进一步的，压电阵列传感器由2至5个压电传感器组成，所述压电阵列传感器(8)中压电传感器以节流孔板中心轴为对称轴，对称布置在节流孔板3中心两侧的孔板外壳表面。
进一步的，循环水泵为调速变频循环水泵。
进一步的，数据分析平台中加载有用于消除声波信号噪音的噪音消除算法。
基于权利要求上述的标定平台的节流孔板流量计标定方法，包括以下步骤：
s1：根据节流孔板的类型和口径选择对应的流量标定管路和循环水泵的型号；
s2：根据循环水泵及管道口径初步估算标定管路的流量范围，确定标定流量计的型号；
s3：选择对应容积的储水箱，并对储水箱进行补水；
s4：启动循环水泵，并将量循环水泵设置为额定转速，同时监测节流孔板3的板前压力；
s5：对流量标定平台进行数据采集联合调试，使得声波传感器、标定流量计和第一压力传感器工作正常；
s6：采集循环水泵在额定转速时，节流孔板流量、声波信号和板前压力；
s7：通过循环水泵调节节流孔板的板前压力，监测不同工况下节流孔板的声波信号和节流孔板流量；
s8：根据s7测得的同一工况下，节流孔板流量与节流孔板的声波信号进行关联，绘制不同工况下节流孔板的声波信号和节流孔板流量的关联特性曲线，并根据关联特性曲线拟合出根据声波信号计算节流孔板流量的拟合公式；
s9：将s8拟合的公式嵌入标定平台，复核校验变流量工况下的节流孔板流量与声波信号是否满足此拟合公式：若通过复核校验，将所述拟合公式用于节流孔板流量测量；否则，重复s1～s9，直至复核校验结果为变流量工况下的节流孔板流量与声波信号满足拟合公式。
进一步的，关联特性曲线的横坐标和纵坐标分别为声波传感器检测到的声波信号和节流孔板流量；所述声波信号为声波强度、声压、声波频率或声功率。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
本发明所述的标定平台，可针对不同类型的声波传感器和不同型号不同类型的节流孔板，开展不同板前压力和不同孔径的节流孔板下的节流孔板流量与声波信号强度的对应关系的数据标定工作。利用该标定平台进行流量标后，在一定精度范围内，可利用肌瘤孔板、声波传感器和一个压力传感器实现对节流孔板流量的间接计算和测量。即用一个压力传感器和声波传感器，替代原有的节流孔板流量计中的两个压力传感器，而声波传感器的成本远远小于压力传感器，大大降低了流量检测的成本。
此外，当利用标定后的声波传感器进行节流孔板流量测量时，声波传感器也会接收到循环水泵的声波信号，当循环水泵出现气蚀或其他故障时，声波信号会出现变化，因此能够根据声波传感器检测到的声波信号，判断出和节流孔板安装在同一管道上的循环水泵的运行状态。
进一步的，标定平台采用调速变频循环水泵，可针对不同循环流量和不同节流孔板前压力，开展节流孔板流量标定工作。
进一步的，数据分析平台具有噪音消除算法，通过大量监测实验平台在不同循环流量及节流孔板前压力工况下的声波信号数据，消除标定管路本身、节流孔板自身振动、循环水泵及其他流体设备带来的噪音干扰信号。
本发明所述的方法，利用上述标定平台，通过测量固定板前压力下和开度下，测量节流孔板的流量和声波信号，以得到节流孔板的流量和声波信号的关联特性曲线，并根据关联特性曲线拟合出根据声波信号计算流量的拟合公式；经校核无误后，将拟合公式以程序的形式写入声波检测系统，并在需要测量的节流孔板上安装声波传感器，在节流孔板所在的管道上安装板前压力检测传感器，将声波传感器的输出信号和声波检测系统的输入端连接，即可对节流孔板流量进行检测。在后续的流量检测中，只需在节流孔板上安装声波传感器，并在节流孔板前安装一个压力传感器，就可根据声波传感器测量到的声波信号测量或计算节流孔板流量，大幅降低了流量检测成本。
附图说明
图1为本发明所提供的述的试验平台示意图；
图2为本发明所提供的标定方法流程图；
图3a为孔板前压力为额定压力的200％时带声波传感器的节流孔板流量计示意图；
图3b为孔板前压力为额定压力时带声波传感器的节流孔板流量计示意图；
图3c为孔板前压力为额定压力的50％时带声波传感器的节流孔板流量计示意图；
图4为声波强度与节流孔板流量的对应关系曲线。
附图中：1、储水箱，2、循环水泵，3、节流孔板，4、标定流量计，5、光纤，6、光纤传感器，7、拾音器，8、压电阵列传感器，9、流量标定管路，10、第五阀门，11、第一阀门，12、第二阀门，13、第三阀门，14、第四阀门，15、声波传感器，16、第一温度传感器，17、第一压力传感器，18、第二压力传感器，19、第二温度传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1，一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，包括流量标定管路9和储水箱1，流量标定管路9的入口与储水箱1的出口连接，流量标定管路9的出口与储水箱1的入口连接，流量标定管路9上安装有循环水泵2和节流孔板流量计，节流孔板流量计包括节流孔板3，安装在节流孔板3上的声波传感器15以及第一压力传感器16，储水箱1和循环水泵2之间安装有第四阀门14，循环水泵2和节流孔板3之间的管路上依次安装有第一阀门11、第一温度传感器17和第一压力传感器16，节流孔板3和储水箱1之间的管路上依次安装有第二压力传感器18、第二温度传感器19、流量传感器4、第二阀门12和第三阀门13，储水箱1的补水管路上安装有补水阀门10。
第一温度传感器17、第一压力传感器16、第二压力传感器18、第二温度传感器19、标定流量计4和声波传感器15的输出端和数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端和数据分析平台的输入端连接。
声波传感器15用于采集节流孔板3的声波信号，标定流量计4用于测量通过节流孔板3的流量；第一压力传感器16用于测量节流孔板流量计的板前压力，第一温度传感器17用于测量节流孔板流量计的板前温度，第二压力传感器18用于测量节流孔板流量计的板后压力，第二温度传感器19用于测量节流孔板流量计的板后温度。
数据采集器将声波传感器15、标定流量计4、第一压力传感器16、第一温度传感器17、第二压力传感器18和第二温度传感器19收集的信号传输至数据分析平台，数据分析平台利用计算机分析拟合出声波信号对应节不同板前压力下的流量的数据公式，将此数据公式写入计算程序，作为此种节流孔板门的流量计量计算公式应用到同型号的节流孔板流量计监测系统中。
其中，标定流量计4采用电磁流量计、容积流量计、涡街流量计、涡轮流量计、超声波流量计、差压流量计中的任意一种。
声波传感器为听音器型声波传感器、拾音器型的声波传感器、微小位移电信号声音传感器、压电阵列传感器、表面声波传感器、动态压力传感器、声波频率传感器、声波声压传感器、声波声强传感器、声波声功率传感器中的任意一种或多种的组合。
参照图3，听音器或拾音器类型的声波传感器布置在的节流孔板3外表面，且垂直于节流孔板3轴向的中心位置；或通过打孔方式布置在节流孔板3中心位置的节流孔板3外壳内。
压电阵列传感器8中压电传感器以节流孔板中心轴为对称轴，对称布置在节流孔板3中心两侧的孔板外壳表面，每个压电阵列传感器8由2至5个压电传感器组成。
表面声波传感器为瑞利波传感器、光纤传感器、切向水平板模传感器、兰姆(love)波传感器或乐甫(lamb)波传感器中的任意一种或几种的组合。
光纤传感器为点式光纤传感器、积分式光纤传感器、分布式光纤传感器中的任意一种或几种的组合。
数据分析平台具有噪音消除算法，通过监测大量实验平台在不同循环流量及节流孔板板前压力工况下的声波信号，消除标定管路本身、节流孔板自身振动、循环水泵及其他流体设备带来的噪音干扰信号。
噪音消除算法为滤波算法、小波分析法、均值近似值移除方法、离散傅氏变换的快速算法中的一种或几种的组合。根据噪声类型选择去燥算法或上述去燥算法的组合对声波信号去燥。
实施例1
一种基于上述标定平台的声波信号标定节流孔板流量计的实验方法，包括以下步骤：
s1：根据节流孔板3的口径选择对应的流量标定管路9的管道口径，并匹配对应的循环水泵2的型号，选择对应的循环水泵2的调速变频范围；
s2：根据循环水泵2及管道口径初步估算的流量标定管路9的流量范围，选择对应的标定流量计4的类型和型号；
s3：根据s1和s2确定的标定管路9的管道口径和流量标定管路9的流量范围，设置相应容积的储水箱1，并通过补水管路对储水箱1进行补水；
s4：启动循环水泵2，将循环水泵2设置为额定转速，同时监测节流孔板3的板前压力和板后压力；
s5：数据采集器及计算机数据分析平台及整个流量标定平台进行数据采集联合调试，使得声波传感器15、标定流量计4、第一压力传感器16、第一温度传感器17、第二压力传感器18和第二温度传感器19的数据采集工作正常；
s6：数据采集器采集循环水泵2额定转速下的对应的通过节流孔板的流量、声波信号、板前压力、板后压力板前温度和板后温度；
s7：根据变工况标定数据表格，通过改变循环水泵2转速间接改变板前压力，实现变流量调节工况，并监测各流量调节工况下的节流孔板的声波信号；
s8：计算机数据分析平台根据标定流量计4测得的变工况下的流量数据，与对应工况的节流孔板的声波信号进行关联，绘制关联特性曲线；并根据关联特性曲线拟合出根据声波信号计算流量的拟合公式；关联特性曲线的横坐标为不同流量工况下的节流孔板门声波信号；纵坐标为节流孔板前压力工况下的流量信号数据；或横坐标为不同节流孔板流量计开度下的流量信号数据，纵坐标为不同流量工况下的节流孔板的声波信号。其中，声波信号可以是声压、声波强度、声波频率或声功率，声波强度和节流孔板前压力的对应曲线如图4所示。
s9：将s8拟合的公式嵌入标定平台，复核校验变流量工况下的流量数据与声波信号是否满足此拟合公式：用同型号的节流孔板替换s1-s8使用的节流孔板，重复s7-s8，对比测量到的流量数据和用拟合公式得到的流量是否在误差范围内，若误差在可接受范围内，说明该拟合公式可用于流量检测，则将所述拟合公式写入声波检测系统；若误差不在可接受范围内，重复s1-s10，直至复核校验结果为变流量工况下的流量数据与声波信号满足拟合公式。
通过标定平台得到拟合公式后，将拟合公式以程序的形式写入声波检测系统，并在需要测量的节流孔板上安装声波传感器，在节流孔板所在管道的节流孔板前安装一个压力传感器，将声波传感器和压力传感器的输出信号和声波检测系统的输入端连接，声波检测系统根据采集到的声波信号、板前压力和拟合公式对管道流量进行检测。
实施例2
本实施例和实施例1的步骤相同，不同之处在于s8中，根据变工况标定数据表格，通过改变循环水泵2转速间接改变板前压力，实现变流量调节工况，并监测各流量调节工况下的节流孔板的声波信号。
变工况标定数据测量不同板前压力下的声波信号和通过节流孔板流量，例如板前压力从0.1bar以0.1bar的步长增加至10bar的条件下的节流孔板流量，如表1所示。
表1
实施例3
本实施例和实施例1的步骤相同，不同之处在于s8中，测量节流孔板前压力为1bar～100bar时的声波信号。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
以上对本发明所提供的带声波监控的管道液体输运系统和方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
1.一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，其特征在于，包括流量标定管路(9)和储水箱(1)组成的回路，所述流量标定管路(9)上安装有循环水泵(2)和节流孔板流量计，节流孔板流量计包括节流孔板(3)、安装在所述节流孔板(3)上的声波传感器(15)和用于测量节流孔板(3)板前压力的第一压力传感器(16)，节流孔板(3)后的流量标定管路(9)上安装有标定流量计(4)；所述标定流量计(4)、第一压力传感器(16)和声波传感器(15)的输出端和数据采集器的输入端连接，数据采集器的输出端和数据分析平台的输入端连接；所述数据采集器用于将声波传感器(15)、标定流量计(4)和第一压力传感器(16)收集的声波信号、流量信号和板前压力信号传输至数据分析平台，所述数据分析平台用于根据接收到的声波信号、流量信号和节流孔板(3)的板前压力信号得到不同的板前压力下声波信号和节流孔板(3)的节流孔板流量关系式。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，其特征在于，所述标定流量计(4)采用电磁流量传感器、容积流量传感器、涡街流量传感器、涡轮流量传感器、超声波流量传感器或差压流量传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，其特征在于，所述声波传感器为听音器、拾音器、微小位移电信号声音传感器、压电阵列传感器、表面声波传感器、动态压力传感器、声波频率传感器、声波声压传感器、声波声强传感器、声波声功率传感器中的任意一种或n种的组合，n＞1。
4.根据权利要求3所述的一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，其特征在于，所述表面声波传感器为瑞利波传感器、光纤传感器、切向水平板模传感器、兰姆波传感器或乐甫波传感器中的任意一种或n种的组合，n＞1。
5.根据权利要求3所述的一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，其特征在于，听音器或拾音器类型的声波传感器布置在的节流孔板(3)外壳，且垂直于节流孔板3轴向的中心位置。
6.根据权利要求3所述的一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，其特征在于，所述压电阵列传感器(8)由2至5个压电传感器组成，所述压电阵列传感器(8)中压电传感器以节流孔板中心轴为对称轴，对称布置在节流孔板3中心两侧的孔板外壳表面。
7.根据权利要求3所述的一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，其特征在于，所述循环水泵(2)为调速变频循环水泵。
8.根据权利要求1所述的一种基于声波信号的节流孔板流量计标定平台，其特征在于，所述数据分析平台中加载有用于消除声波信号噪音的噪音消除算法。
9.基于权利要求1-8任意一项所述的标定平台的节流孔板流量计标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
s1：根据节流孔板(3)的类型和口径选择对应的流量标定管路(9)和循环水泵(2)的型号；
s2：根据循环水泵(2)及管道口径初步估算标定管路(9)的流量范围，确定标定流量计(4)的型号；
s3：选择对应容积的储水箱(1)，并对储水箱(1)进行补水；
s4：启动循环水泵(2)，并将量循环水泵(2)设置为额定转速，同时监测节流孔板3的板前压力；
s5：对流量标定平台进行数据采集联合调试，使得声波传感器(15)、标定流量计(4)和第一压力传感器(16)工作正常；
s6：采集循环水泵(2)在额定转速时，节流孔板流量、声波信号和板前压力；
s7：通过循环水泵(2)调节节流孔板(3)的板前压力，监测不同工况下节流孔板(3)的声波信号和节流孔板流量；
s8：根据s7测得的同一工况下，节流孔板流量与节流孔板(3)的声波信号进行关联，绘制不同工况下节流孔板(3)的声波信号和节流孔板流量的关联特性曲线，并根据关联特性曲线拟合出根据声波信号计算节流孔板流量的拟合公式；
s9：将s8拟合的公式嵌入标定平台，复核校验变流量工况下的节流孔板流量与声波信号是否满足此拟合公式：若通过复核校验，将所述拟合公式用于节流孔板流量测量；否则，重复s1～s9，直至复核校验结果为变流量工况下的节流孔板流量与声波信号满足拟合公式。
10.根据权利要求9所述的一种节流孔板流量计的标定方法，其特征在于，所述关联特性曲线的横坐标和纵坐标分别为声波传感器(15)检测到的声波信号和节流孔板流量；所述声波信号为声波强度、声压、声波频率或声功率。
技术总结