CN102589627B - 一种用于超声波流量计的绝对传播时间测量方法 - Google Patents

Abstract

一种用于超声波流量计的绝对传播时间测量方法，在V型排布下换能器1和换能器2的正对侧正中设置一个换能器3；设换能器1和换能器2之间的距离为L，则换能器3距换能器1和换能器2的横向距离均为L/2；测量顺流情况下绝对传播时间时，换能器1发射超声波信号，此时两个接收器即换能器2和换能器3接收信号；采用求取相对传播时间的方式求取两个接收器所接收的信号的时差，其计算结果就是超声波信号从换能器3传播到换能器2的时间，相当于获得了换能器2和换能器3按照Z型排布情况下的顺流绝对传播时间；逆流绝对传播时间的测量方法类似。使用本发明不需要计时模块，相当于将绝对时间测量转换为相对时间测量，从而提高了测量精度。

Description

一种用于超声波流量计的绝对传播时间测量方法

技术领域

本发明属于超声流量测量技术领域，特别涉及一种用于超声波流量计的采用三个换能器和改进的最小误差平方和算法来测量绝对传播时间的方法。

背景技术

超声波技术应用于流量测量主要依据是：当超声波入射到流体后，在流体中传播的超声波就会载有流体流速的信息。超声波流量计对信号的发生、传播及检测有着各种不同的设置方法，从而构成了不同原理的超声流量计，其大致可分为传播速度差法(包括：时差法、相位差法、频差法)，多普勒法，相关法、波束偏移法，等等。

时差式超声波流量计是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间以及二者之差来计算流速，进而求得流量的。计算流速的公式中最重要的两个参数是绝对传播时间和相对传播时间。

相对传播时间是指：顺流传播时间和逆流传播时间的时差。计算相对传播时间不能将顺流传播时间与逆流传播时间做减法，应利用顺流时换能器接收的波形和逆流时换能器接收的波形，采用互相关方法、最小误差平方和方法等算法来计算这两组相似波形的时差，误差波动范围在1ns以内。其中，最小误差平方和方法精度要高于互相关方法，但计算速度略逊一筹。

绝对传播时间是指：发射器发射超声波到达接收器的时间。测量时一般都是用两个传感器协同作用，换能器在管道外侧不同的排布方式，有Z型、V型、N型、W型。不论哪种排布方式，两个传感器的缺点都是，接收器无法精确的得到超声波回波信号，因此在计算绝对传播时间上效率不高。计算绝对传播时间的普遍方法是计数法。发射器发射超声波的同时，接收器开始计数，当接收器端的采样信号高于所设的门限值时，认为已经接收到超声波信号，停止计数，传播时间等于计数值乘以采样周期。这种方法的缺点在于门限值需根据经验设定，且计数值为整数，如果采样周期为40ns，则误差在正负40ns之间，范围较大，不精确，需要采用新的方法提高绝对传播时间的求取精度。

发明内容

为了解决测量绝对传播时间精度较低的问题，本发明提出了一种利用3个换能器测量顺流逆流传播时间的方法，不需要计时模块和设置门限值，相当于将绝对时间测量转换为相对时间测量，从而降低了误差，提高了测量精度。

进一步地，本发明还利用一种将互相关方法与最小误差平方和方法结合起来的改进的最小误差平方和方法，计算相对传播时间，从而实现了提高绝对传播时间精度的目的，并可以在不影响精度的情况下减少计算时间。

现有技术中为了提高测量精度增加声程，从而产生了换能器在管道外侧不同的排布方式，有Z型、V型、N型、W型。本发明建立在V型排布的基础之上。

本发明在V型排布下换能器1和换能器2的正对侧正中多加一个换能器3。设换能器1和换能器2之间的距离为L，则换能器3距换能器1和换能器2的横向距离均为L/2。换能器1和换能器2轮流工作在发射和接收的状态，换能器3只工作在接收状态，即换能器1发射超声波信号，换能器2和换能器3同时接收信号，此时换能器2和换能器3接收到的信号均为顺流状态下的信号；换能器2发射超声波信号，换能器1和换能器3同时接收信号，此时换能器1和换能器3接收到的信号均为逆流状态下的信号。

对于顺流情况，换能器1发射超声波信号，换能器2和3均为接收器，换能器1发射的超声波信号首先被换能器3接收，随即反射后又被换能器2接收，因此这两个接收信号相关度会很高。利用求相对传播时间时的方法，如互相关法等来求取换能器3接收的信号和换能器2接收的信号之间的差值，其计算结果就是超声波信号从换能器3传播到换能器2的时间，相当于求取了换能器2和换能器3按照Z型排布情况下的顺流传播时间。

逆流情况下同理可求超声波信号从换能器3到换能器1的时间：换能器2发射超声波信号，此时两个接收器即换能器1和换能器3接收信号；同样，采用求取相对传播时间的方式求取两个接收器所接收的信号的差值，其计算结果就是超声波信号从换能器3传播到换能器1的时间，相当于获得了换能器1和换能器3按照Z型排布情况下的逆流传播时间。

由于求取这两个传播时间的信号通过的声路不同，因此必须保证换能器3距离换能器2和换能器1的横向距离相等，即确保声程相等。另外，求取相对传播时间的方法与传统方法相似，只利用换能器1和换能器2，但是要将最后的时差除以2，说明结果为换能器3到换能器1或者换能器3到换能器2的相对传播时间。

有益效果

1、本发明提出了一种利用3个换能器测量顺流逆流传播时间的方法，不需要计时模块，而且能够消除电路时间延迟带来的精度问题，从而实现了提高绝对传播时间精度的目的。

2、本发明提出了一种改进的最小误差平方和方法，将互相关方法与最小误差平方和方法结合起来，可以在不影响精度的情况下减小最小误差平方和方法的运行时间。

附图说明

图1为换能器V型排布示意图；

图2为图1中换能器2和换能器3接收到的信号示意图；

图3为最小误差平方和方法提取核心信号示意图；

图4为计算步骤流程图；

图5为计算绝对传播时间理论推导示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供一种利用3个换能器并用改进的最小误差平方和算法测量绝对传播时间的方法。

如图1所示安排换能器安装方式，在V型排布下换能器1和换能器2的正对侧正中多加一个换能器3。设换能器1和换能器2之间的距离为L，则换能器3距换能器1和换能器2的横向距离均为L/2。换能器1和换能器2轮流工作在发射和接收的状态，换能器3只工作在接收状态，即换能器1发射超声波信号，换能器2和换能器3同时接收信号，此时换能器2和换能器3接收到的信号均为顺流状态下的信号；换能器2发射超声波信号，换能器1和换能器3同时接收信号，此时换能器1和换能器3接收到的信号均为逆流状态下的信号。

图2所示为顺流时超声波信号从发射器即换能器1发出，到换能器3，经反射再到换能器2的示意图。理论上，超声波信号从发射器到换能器3与从换能器3到换能器2所经历的时间应该是相等的。发射波形未知，换能器3与换能器2接收到的信号均为同一发射波传递而来，因此相关度很高。此时可以利用诸如互相关法、最小误差平方和方法等等求取相对传播时间的方法求取顺流情况下换能器3与换能器2之间超声波信号的时差，即为换能器3和换能器2按照Z型排布情况下的顺流绝对传播时间。逆流情况下同理。

其中，互相关法是对两相似波形进行互相关计算，获得最大相关点对应的横坐标就是两相似波形的时差，但是该方法仅能获得大致的时差情况，不够精确。

目前一种最小误差平方和方法的具体实现为(参见IEEE Transactions onUltrasonics，Ferroelectrics，And Frequency Control，VOL.55，NO.9，September2008)：

对于两个存在时差的相似波形，设其中一个信号为参考信号S1，另一个信号为S2，从同一起始点提取S1和S2中核心信号，S1提取采样点个数为N，S2提取采样点个数为M，其中N＞M，后续过程只与核心信号有关。该核心信号是指能够囊括明显波峰的信号，核心信号的提取窗口不能太大，否则会提取到较多的无用信号，增加计算数量。核心信号提取窗口的具体选择可以通过试验确定或者采用经验值。

而后，将提取的S1进行如下形式的三次样条拟合，拟合后的公式如下，S2依然为离散点；

$S_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{c}{f}_1\left(t\right)=a_1{(t/\&PartialD;-T_1)}^3+b_1{(t/\&PartialD;-T_1)}^2+c_1(t/\&PartialD;-T_1)+d_1.....................................0<t<1\&CenterDot;\&PartialD;\\ ...\\ f_i\left(t\right)=a_i{(t/\&PartialD;-T_i)}^3+b_i{(t/\&PartialD;-T_i)}^2+c_i(t/\&PartialD;-T_i)+d_i.....................................(i-1)\&CenterDot;\&PartialD;<t<i\&CenterDot;\&PartialD;\\ ...\\ f_{N-1}\left(t\right)=a_{N-1}{(t/\&PartialD;-T_{N-1})}^3+b_{N-1}{(t/\&PartialD;-T_{N-1})}^2+c_{N-1}(t/\&PartialD;-T_{N-1})+d_{N-1}....(N-2)\&CenterDot;\&PartialD;<t<(N-1)\&CenterDot;\&PartialD;\end{array}\right\}---\left(1\right)$

其中，f_i(t)为第i个分段(即第i个采样点到第i+1个采样点之间的分段，共)的拟合函数，T_i＝(i-1)。令

则公式(1)简化为：

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1\left(t^{\&prime;}\right)=a_1{\left(t^{\&prime;}\right)}^3+b_1{\left(t^{\&prime;}\right)}^2+c_1\left(t^{\&prime;}\right)+d_1.....................................0<t^{\&prime;}<1\\ ...\\ f_i\left(t^{\&prime;}\right)=a_i{\left(t^{\&prime;}\right)}^3+b_i{\left(t^{\&prime;}\right)}^2+c_i\left({t^{\&prime;}}_i\right)+d_i.....................................0<t^{\&prime;}<1\\ ...\\ f_{N-1}\left(t^{\&prime;}\right)=a_{N-1}{\left(t^{\&prime;}\right)}^3+b_{N-1}{\left(t^{\&prime;}\right)}^2+c_{N-1}\left(t^{\&prime;}\right)+d_{N-1}................................0<t^{\&prime;}<1\end{array}\right\}---\left(2\right)$

从式(2)可以看出，这里的三次样条拟合是将每个分段的起始点和结束点的横坐标值转换并搬移到[0，1]情况下的每个分段的拟合函数，这样后续计算得到的时差也在[0，1]中。

那么两个信号的时差为使公式(3)为最小时的t′值，该t′值就是两个信号之间的时差，例如可以采用求导求极值的方式获取t′；

$\mathrm{\&epsiv;}\left(t^{\&prime;}\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(f\left(t^{\&prime;}\right)-S_2[i\left]\right)}^2---\left(3\right)$

其中，S₂[i]为S2核心信号中的第i个元素的幅值，对于S2来说i的取值范围为1～M。

上述步骤得到t′值是转换且平移后的时间数据，而且不知道t′属于哪个分段，因此无法采用

还原为t。因此需要将S2向靠近S1的方向平移一个采样周期，(如果S2时间上落后S1，则将S2向左平移，反之向右)，每平移一次都采用公式(3)计算ε最小时的t′，执行N-M次，最终从多个最小的ε中获取最小的一个，其对应的t′作为最终结果。

可见，上述最小误差平方和方法需要进行多次t′值的计算，计算量巨大。

为了解决单独使用互相关法和上述最小误差平方和方法所带来的缺陷，本发明采用改进的最小误差平方和方法，其是将互相关方法与最小误差平方和方法结合起来，可以在不影响精度的情况下减少最小误差平方和方法的运行时间。

改进的最小误差平方和算法的具体流程包括如下步骤，且在该流程中设S1为换能器2所接收信号即后接收到的信号，S2为换能器3所接收信号即先接收到的信号，S1与S2的横坐标为采样点序号，这样比较好计算。参见图4：

步骤一、利用快速傅里叶变换FFT计算S1与S2的离散互相关函数；

步骤二、求离散互相关函数的最大值点对应的横坐标值k，即为S2核心信号需要向右平移的整数点数，即S2核心信号与S1核心信号相关部分发生重合的大概位置；

步骤三、从同一起始点提取S1和S2中的核心信号，S1提取元素个数为N，S2提取元素个数为M，且N大于M；

步骤四、将S1核心信号中各相邻采样点之间的分段均在横轴上平移到[0，1]并进行三次样条拟合，S2依然为离散点。由于本实施例中S1、S2的横坐标为采样点序号而不是时间，因此三次样条拟合后第i个分段的拟合函数仍为公式(2)示出的f_i(t′)，T_i＝(i-1)，但是t′＝t-T_i，t为横坐标的值即采样点序号。

然后，将S2的核心信号右移k个点，即相当于将S1左移k个点，得到f_i′(t′)＝f_i+k(t′)。在实际中如果S2为换能器2所接收信号，S1为换能器3所接收信号，则S1提前于S2，则本步骤应该将S2的核心信号左移k个点，则f_i′(t′)＝f_i-k(t′)。左移表示向采样点序号小的方向移动。

采用以下修正后的最小误差平方和公式(4)计算两个信号S1和S2的时差t_k，时差t_k为使得公式(4)的ε为最小时的t′值，t_k属于区间[0，1]；

$\mathrm{\&epsiv;}\left(t^{\&prime;}\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{({f_i}^{\&prime;}\left(t^{\&prime;}\right)-S_2[i\left]\right)}^2=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{(f_{i+k}\left(t^{\&prime;}\right)-S_2[i\left]\right)}^2---\left(4\right)$

其中，S₂[i]为S2核心信号中的第i个元素。对于图3示出的情况来说，f_i+k(t′)表示采用S1虚线框中的数据与S2虚线框中的数据求差。采用公式(2)和(4)求出的时差t_k表示出S1’和S2’之间需要相互平移多少才能够使得二者间的误差最小即重合度最高。相应地，如果S2左移k个点，则公式(4)中的f_i+k(t′)采用f_i-k(t′)替换。

步骤五、根据t_k可求得时差两个接收器所接收信号的时差t_sse：

t_sse＝(k+t_k)·T(5)

由于互相关法获得的粗平移距离k的误差在一个采样周期内，因此可以认为，最后获得的t_k应该在一个周期[0，T]内，因此采用(5)可以获得最终的时差求取结果。

至此，本流程结束。

通过上述描述可以知道，本发明采用3个传感器可以将绝对时间测量转化成相对时间测量以减小测量误差的理论验证如图5所示。实际中由于电路延迟带来的误差往往很大，不能忽视。利用3个传感器求取绝对传播时间的方法不存在电路时间延迟的问题。如图5所示，1、2、3分别为3个换能器的编号，e_A、e_B表示换能器1和换能器2为发射器时发射电路的时间延迟，e₁、e₂、e₃表示换能器1、2、3为接收器时接收电路的时间延迟。因为本发明所基于的电路上，发射电路不通，但接收电路只有一个，因此e₁＝e₂＝e₃。t_up、t_dn分别为顺流和逆流情况下，超声波信号从发射器发出经管壁反射到接收器的时间，即在流体中传播的总时间。t_up/2、t_dn/2分别为超声波信号从换能器3到换能器2和从换能器3到换能器1在流体中传播的顺流时间和逆流时间。t₃、t₃′分别为实际超声波信号从换能器3超波到换能器1和从换能器3到换能器2的传播时间，此时要考虑电路延迟。例如顺流情况下，换能器1发射超声波信号，经发射电路的延迟e_A后，超声波信号进入流体，经过t_up/2的时间到达换能器3的位置，***采集到换能器3接收的超声波信号需要经过接收电路的延迟e₃。经过管壁反射，超声波信号再经过t_up/2的时间到达换能器2的位置，***采集到换能器2接收的超声波信号需要经过接收电路的延迟e₂。逆流情况下，同理。计算公式如下：

$t_3=\frac{t_{\mathrm{up}}}{2}+e_1-e_3$

$t_3^{\&prime;}=\frac{t_{\mathrm{dn}}}{2}+e_2-e_3$

由上式可知，计算t₃、t₃′与发射电路延迟无关，同时3个换能器的信号连接同一个接收电路，因此e₁＝e₂＝e₃。因此，

$t_3=\frac{t_{\mathrm{up}}}{2}+e_1-e_3$

$t_3^{\&prime;}=\frac{t_{\mathrm{dn}}}{2}+e_2-e_3$

由上式可知，t₃、t₃′的计算与电路延迟无关。

结合实际采集数据，被测对象参数为：

管道内径：18mm

管道外径：23mm

管路材质：不锈钢管

超声换能器：压电式

超声传播路径与管道轴向夹角：45度

流体介质：纯水

门限电平法是靠计数来计算绝对传播时间的，电平的高低由经验决定。如电平设置为2v还是2.2v，0.2v的差值会导致过多的计数。假设经验设置的值很准确，由于采样信号是离散点，计数法也会因为幅值突破所设电平的点与计数点不一致而导致误差，因为采样率为25MHz，此误差在正负40ns之间。而通过本发明三个传感器测量绝对传播时间，可以将其转换为测量相对传播时间，误差在纳秒级。以某一组固定流速下顺流信号绝对传播时间为例，

本发明可见3个传感器测量方法的稳定性和精度要优于传统的2个传感器测量绝对时间得方法。

每组信号包括一个顺流信号和一个逆流信号，每个信号包含2048个采样点。分别利用传统最小误差平方和(SSE)方法和本发明改进的最小误差平方和方法计算每组信号之间的时间差。计算耗时如下表所示：

传统SSE	1.0994s	1.0338s	1.0632s	1.0432s	1.0435s
						本发明	0.4897s	0.5032s	0.4753s	0.4831s	0.4772s

可见，由于没有做计算N-M次重复运算，改进的最小误差平方和算法的耗时比改进前有所减少。

Claims (2)

1.一种用于超声波流量计的绝对传播时间测量方法，其特征在于，包括：

步骤1：在V型排布下第一换能器（1）和第二换能器（2）的正对侧正中设置一个第三换能器（3），第三换能器（3）仅工作在接收状态；设第一换能器（1）和第二换能器（2）之间的距离为L，则第三换能器（3）距第一换能器（1）和第二换能器（2）的横向距离均为L/2；

步骤2：测量顺流情况下绝对传播时间时，第一换能器（1）发射超声波信号，此时两个接收器即第二换能器（2）和第三换能器（3）接收信号；采用求取相对传播时间的方式求取两个接收器所接收的信号的时差，其计算结果就是超声波信号从第三换能器（3）传播到第二换能器（2）的时间，相当于获得了第二换能器（2）和第三换能器（3）按照Z型排布情况下的顺流绝对传播时间；

测量逆流情况下绝对传播时间时，第二换能器（2）发射超声波信号，此时两个接收器即第一换能器（1）和第三换能器（3）接收信号；同样，采用求取相对传播时间的方式求取两个接收器所接收的信号的时差，其计算结果就是超声波信号从第三换能器（3）传播到第一换能器（1）的时间，相当于获得了第一换能器（1）和第三换能器（3）按照Z型排布情况下的逆流绝对传播时间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采用求取相对传播时间的方式求取两个接收器所接收的信号的时差的步骤为：

第1步：利用快速傅里叶变换FFT计算S1与S2的离散互相关函数；其中，S1为所述两个接收器所接收信号中的一个，S2为所述两个接收器所接收信号中的另一个；S1与S2的横坐标为采样点序号；

第2步：求离散互相关函数的最大值点对应的横坐标值k；

第3步：从同一时间起始点提取S1和S2中的核心信号，S1提取元素个数为N，S2提取元素个数为M，且N大于M；

第4步：将S1的核心信号中各相邻采样点之间的分段均在横轴上平移到[0,1]并进行三次样条拟合，S2依然为离散点；三次样条拟合后第i个分段的拟合函数f_i(t')采用下式表示，t'＝t-T_i，T_i=（i-1），t为横坐标的值；

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1\left(t^{\&prime;}\right)=a_1{\left(t^{\&prime;}\right)}^3+b_1{\left(t^{\&prime;}\right)}^2+c_1\left(t^{\&prime;}\right)+d_1......0<t^{\&prime;}<1\\ ...\\ f_i\left(t^{\&prime;}\right)=a_i{\left(t^{\&prime;}\right)}^3+b_i{\left(t^{\&prime;}\right)}^2+c_i\left(t^{\&prime;}\right)+d_i......0<t^{\&prime;}<1\\ ...\\ f_{N-1}\left(t^{\&prime;}\right)=a_{N-1}{\left(t^{\&prime;}\right)}^3+b_{N-1}{\left(t^{\&prime;}\right)}^2+c_{N-1}\left(t^{\&prime;}\right)+d_{N-1}......0<t^{\&prime;}<1\end{array}\right\}$

采用最小误差平方和公式计算两个信号S1和S2的时差t_k，时差t_k为使得上述最小误差平方和公式为最小时的t'值，采用求导求极值的方式获取t'，t_k属于区间[0,1]；S₂[i]为S2核心信号的第i个元素，±的选取原则为：当S2为先接收的信号，则选取加号，否则选取减号；

第5步：根据t_k可求得两个接收器所接收信号的时差t_sse：t_sse＝(k+t_k)·T。

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