CN103868555A - 一种用于超声波流量计的循环时差检测方法 - Google Patents

一种用于超声波流量计的循环时差检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于超声波流量计的循环时差检测方法。采用一对换能器作为发射和接收信号探测组，成一定角度布置在被测管线两侧。一个探测周期过程如下：控制两个换能器（A、B）同时作为发射端，发射不同频率脉冲信号；控制两个换能器作为接收端，分别记录换能器A发射信号到达换能器B的时间、换能器B发射信号到达换能器A的时间，并计算时间差，连续计算N次，取第k次至第k+n次时间差计算平均时间差（k=1，…，N-n），结合几何信息计算出流速和流量。与传统时差法相比，本发明提供的检测方法可以在减少设备量的基础上满足时差法超声波流量计对于高测量精度的需求。

Description

一种用于超声波流量计的循环时差检测方法
技术领域
本发明涉及超声波流量计技术，特别是一种用于超声波流量计的循环时差检测方法。
背景技术
相对于机械式流量计和电磁式流量计，超声波流量计有以下诸多优点：计量精度高、对管径的适应性强、非接触式测量、使用方便以及易于数字化管理等。随着压电陶瓷技术、电子技术以及高速数字信号处理技术的发展，超声波流量计的性能有了很大提高，同时制造成本也大幅度下降，因此超声波流量计在工业领域以及日常生活中得到了广泛应用。
目前在超声波流量计的设计中大多采用时差法进行信号检测，下面对时差法超声波流量计的检测原理进行简单介绍。时差法超声波流量计工作原理如附图1所示，它是利用一对超声波换能器收发超声波，通过测量超声波在流体中顺流和逆流的传播时间差来测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
换能器                                               
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE002
和换能器
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE004
，两个换能器分别安装在流体管线的两侧并在垂直于管线截面方向上相距一定的距离，管线的内直径为
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE006
，超声波传播的路径长度为
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE008
，超声波顺流传播的时间为
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE010
，逆流传播的时间为
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE012
，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为。由于流体流动的原因，超声波顺流传播
Figure 288754DEST_PATH_IMAGE008
长度的距离所用的时间比逆流所用的时间短，流速测量原理可以用下式表示：
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE016
                          （1）
其中：
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE018
是超声波在非流动介质中的传播速度，
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE020
是目标流体的流动速度，
Figure 173271DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 953008DEST_PATH_IMAGE012
是顺流和逆流传播时间。
    将（1）中两式相减可以得到：
                             （2）
由于流体流速和超声波在介质中的传播速度相比是个极小量，因此上式可以简化为：
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE024
                  （3）
    从而得出流体的流速为：
                    
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE026
                      （4）
测得流速后，可以通过计算管道的截面积，进而计算出流量：
                      
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE028
                   （5）
其中：为流量，为流速，
Figure 506797DEST_PATH_IMAGE006
为管线的内直径。
现有的时差法超声波流量计在进行时差检测时，通常采用下面的两种方法：
方法一：采用一对超声波换能器，检测过程如下：
1）超声波换能器
Figure 329260DEST_PATH_IMAGE002
作为发射端，换能器
Figure 173457DEST_PATH_IMAGE004
作为接收端，控制换能器
Figure 716565DEST_PATH_IMAGE002
发射信号，然后检测换能器
Figure 978919DEST_PATH_IMAGE004
接收到的信号，得出超声波在流体中顺流传播的时间
Figure 549446DEST_PATH_IMAGE010
；
    2）超声波换能器
Figure 507038DEST_PATH_IMAGE004
作为发射端，换能器
Figure 837525DEST_PATH_IMAGE002
作为接收端，控制换能器
Figure 439539DEST_PATH_IMAGE004
发射信号，然后检测换能器
Figure 869383DEST_PATH_IMAGE002
接收到的信号，得出超声波在流体中逆流传播的时间
Figure 579850DEST_PATH_IMAGE012
；
3）计算出顺流与逆流的传播时间差
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE032
。
方法二：采用两对超声波换能器，检测过程如下：
1）超声波换能器
Figure 182870DEST_PATH_IMAGE002
作为发射端，换能器
Figure 826341DEST_PATH_IMAGE004
作为接收端，控制换能器发射信号，然后检测换能器接收到的信号，得出超声波在流体中顺流传播的时间
Figure 608724DEST_PATH_IMAGE010
；同时超声波换能器
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE034
作为发射端，换能器
Figure 309964DEST_PATH_IMAGE006
作为接收端，控制换能器
Figure 160239DEST_PATH_IMAGE034
发射信号，然后检测换能器
Figure 110878DEST_PATH_IMAGE006
接收到的信号，得出超声波在流体中逆流传播的时间
Figure 586858DEST_PATH_IMAGE012
；
2）计算出顺流与逆流的传播时间差
Figure 939342DEST_PATH_IMAGE032
。
考虑到实际中的应用情况，分别从测量精度、功耗和制造成本三方面分析现有的两种时差检测方法存在的不足：
方法一测量得出一个时差值需要超声波在目标流体中进行一次往返的传播，如果目标流体的流速不均匀同时变化比较频繁，那么方法一测量得到的时差值实时性将受到影响，由此计算出的流速会有一定误差，最后计算得出流量精度受到限制。
方法二使用两对超声波换能器进行测量，这样虽然可以缩短测量得出一个时差值的时间，但是增加了控制和检测电路的复杂度，同时加大整个流量计的功耗，在实际应用中功耗也是设计中必须考虑的一个重要指标。
在实际应用中，制造成本是衡量一个设计好坏的重要标准，方法二使用了两对换能器，同时控制和检测电路复杂度很高，在增加功耗的同时，也增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于时差法超声波流量计的循环时差检测方法，使时差法超声波流量计同时满足测量精度高、功耗低以及制造成本低的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于超声波流量计循环时差检测方法，采用在管线两侧布置的超声波换能器之间的超声波传播时间差，其检测步骤如下：
1）采用一对超声波换能器
Figure 85153DEST_PATH_IMAGE002
和换能器
Figure 523087DEST_PATH_IMAGE004
作为发射和接收信号探头组，分别不对称地分布在管线两侧且相距一定距离；通过开关1、开关2控制换能器与信号发生器控制的连通，时间测量设备与开关1、开关2相连，运算电路与时间测量设备相连；
2）一个测量周期包括两个过程：
过程1，控制信号发生器产生不同频率脉冲分别作为发射信号，同时触发超声波换能器
Figure 943704DEST_PATH_IMAGE002
和换能器
Figure 259017DEST_PATH_IMAGE004
作为发射端发射信号；
过程2，在脉冲的间歇期，控制控制开关1与开关2，使超声波换能器
Figure 372466DEST_PATH_IMAGE002
接收超声波换能器
Figure 625593DEST_PATH_IMAGE004
发射的信号，用时间测量设备记录超声波分别到达接收端的时间，同时使超声波换能器
Figure 318743DEST_PATH_IMAGE004
接收超声波换能器
Figure 380240DEST_PATH_IMAGE002
发射的信号，用时间测量设备记录超声波分别到达接收端的时间
Figure 2012105287738100002DEST_PATH_IMAGE038
；用运算电路计算每组脉冲信号的时间差
Figure DEST_PATH_IMAGE040
；
过程3，在运算电路中，循环取连续n次接收时，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
, 取第k次至第k+n次时间差计算平均时间差
Figure DEST_PATH_IMAGE044
：
Figure DEST_PATH_IMAGE046
；
3）根据几何原理，管线内流体的流速为：
Figure 539957DEST_PATH_IMAGE026
，
其中
Figure 529647DEST_PATH_IMAGE008
为超声波传播的路径长度，
Figure 557646DEST_PATH_IMAGE018
为光速；                                               
测得流速后，通过计算管线的截面积，进而计算出管线内流体的流量：
，
其中，为管线内流体的流速，
Figure 625462DEST_PATH_IMAGE006
为管线的内直径。
信号发生器产生的发射信号为脉冲频率不同的脉冲串。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明提供的循环时差检测法采用双开关、双频率技术，可以同时接收顺流与逆流回波，降低制造成本；（2）本发明使用循环计时求平均差的方法，提高了测量精度；本发明为时差法超声波流量计的设计提供了一种更为适用的检测方法。
附图说明
图1是基于循环时差检测方法的超声波流量计设计框图。
图2是发射信号型式。
具体实施方式
本发明一种用于超声波流量计循环时差检测方法，步骤如下：
1）采用一对超声波换能器和换能器
Figure 837449DEST_PATH_IMAGE004
作为发射和接收信号探头，分别安装在管线的两侧；
2）控制信号发生器产生发射信号，此发射信号为脉冲频率不同的脉冲串，同时触发超声波换能器和换能器
Figure 788404DEST_PATH_IMAGE004
作为发射端进行信号发射；
3）在脉冲的间歇期，控制开关1与开关2，使超声波换能器
Figure 158206DEST_PATH_IMAGE002
和换能器作为接收端同时进行信号接收（超声波换能器接收超声波换能器发射的信号，超声波换能器
Figure 822261DEST_PATH_IMAGE004
接收超声波换能器
Figure 36205DEST_PATH_IMAGE002
发射的信号）；
4）用时间测量设备记录超声波换能器
Figure 4161DEST_PATH_IMAGE002
发射的每个脉冲信号到达超声波换能器的时间，即超声波顺流传播的时间
Figure 405372DEST_PATH_IMAGE036
；同时记录超声波换能器发射的每个脉冲信号到达超声波换能器
Figure 488046DEST_PATH_IMAGE002
的时间，即超声波逆流传播的时间
Figure 540315DEST_PATH_IMAGE038
；
5）在运算电路中，计算每组脉冲信号的时间差
Figure 790031DEST_PATH_IMAGE040
；
6）在运算电路中，取第k次至第k+n次时间差计算平均时间差：
，
然后结合几何信息计算出流速和流量。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提出了一种新颖的用于时差法超声波流量计的时差检测方法—循环时差检测方法，具体原理如下：
如附图1所示，采用一对超声波换能器
Figure 412959DEST_PATH_IMAGE002
和，分别安装在流体管线的两侧并相距一定的距离，管线的内直径为
Figure 5932DEST_PATH_IMAGE006
，超声波传播的路径长度为
Figure 422875DEST_PATH_IMAGE008
，超声波传播的方向与流体的流动方向夹角为
Figure 903535DEST_PATH_IMAGE014
，超声波顺流传播时间为，逆流传播时间为
Figure DEST_PATH_IMAGE050
。
其检测步骤如下：
1）采用一对超声波换能器
Figure 992714DEST_PATH_IMAGE002
和换能器
Figure 849812DEST_PATH_IMAGE004
作为发射和接收信号探头，分别安装在管线的两侧,如图2；
2）控制信号发生器产生发射信号，此发射信号为脉冲频率不同的脉冲串，如图2，同时触发超声波换能器
Figure 622727DEST_PATH_IMAGE002
和换能器
Figure 274288DEST_PATH_IMAGE004
作为发射端进行信号发射；
3）在脉冲的间歇期，控制超声波换能器
Figure 319604DEST_PATH_IMAGE002
和换能器
Figure 308289DEST_PATH_IMAGE004
作为接收端同时进行信号接收（超声波换能器
Figure 857082DEST_PATH_IMAGE002
接收超声波换能器
Figure 148386DEST_PATH_IMAGE004
发射的信号，超声波换能器
Figure 415419DEST_PATH_IMAGE004
接收超声波换能器发射的信号）；
4）记录超声波换能器
Figure 860362DEST_PATH_IMAGE002
发射的每个脉冲信号到达超声波换能器
Figure 447201DEST_PATH_IMAGE004
的时间，即超声波顺流传播的时间
Figure 201530DEST_PATH_IMAGE036
；同时记录超声波换能器发射的每个脉冲信号到达超声波换能器
Figure 930769DEST_PATH_IMAGE002
的时间，即超声波逆流传播的时间
Figure 439242DEST_PATH_IMAGE038
；
5）计算每组脉冲信号的时间差
Figure 415288DEST_PATH_IMAGE040
；
6）取第k次至第k+n次时间差计算平均时间差，其中
Figure 283887DEST_PATH_IMAGE044
：
Figure DEST_PATH_IMAGE052
，
根据时差法超声波流量计的工作原理可以得出被测流体的流速：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
                                  （6）
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
可以由计算得到，
Figure 973363DEST_PATH_IMAGE018
是超声波在非流动介质中的传播速度，
Figure 308529DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 506293DEST_PATH_IMAGE014
为几何参数，均是固定的常值。
测得流速后，可以通过计算管道的截面积，进而计算出流量：
Figure 585107DEST_PATH_IMAGE028
                                  （7）
其中：
Figure 410981DEST_PATH_IMAGE030
为流量，为流速，
Figure 477474DEST_PATH_IMAGE006
为管线的内直径。

Claims (2)

1.一种用于超声波流量计的循环时差检测方法，其特征在于，采用在管线两侧布置的超声波换能器之间的超声波传播时间差，其检测步骤如下：
1）采用一对超声波换能器                                               
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE002
和换能器
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE004
作为发射和接收信号探头组，分别不对称地分布在管线两侧且相距一定距离；通过开关1、开关2控制换能器与信号发生器控制的连通，时间测量设备与开关1、开关2相连，运算电路与时间测量设备相连；
2）一个测量周期包括两个过程：
过程1，控制信号发生器产生不同频率脉冲分别作为发射信号，同时触发超声波换能器和换能器
Figure 211578DEST_PATH_IMAGE004
作为发射端发射信号；
过程2，在脉冲的间歇期，控制控制开关1与开关2，使超声波换能器
Figure 747602DEST_PATH_IMAGE002
接收超声波换能器发射的信号，用时间测量设备记录超声波分别到达接收端的时间
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE006
，同时使超声波换能器
Figure 809416DEST_PATH_IMAGE004
接收超声波换能器
Figure 148166DEST_PATH_IMAGE002
发射的信号，用时间测量设备记录超声波分别到达接收端的时间；用运算电路计算每组脉冲信号的时间差
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE010
；
过程3，在运算电路中，循环取连续n次接收时，
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE012
, 取第k次至第k+n次时间差计算平均时间差
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE016
；
3）根据几何原理，管线内流体的流速为：
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE018
，
其中
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE020
为超声波传播的路径长度，
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE022
为光速；                                               
测得流速后，通过计算管线的截面积，进而计算出管线内流体的流量：
，
其中，
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE026
为管线内流体的流速，
Figure 2012105287738100001DEST_PATH_IMAGE028
为管线的内直径。
2.根据权利要求1所述的用于超声波流量计的循环时差检测方法，其特征在于：信号发生器产生的发射信号为脉冲频率不同的脉冲串。
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