CN105181045B - 超声波流量计消除温度影响声速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超声波流量计消除温度影响声速的方法，包括：实时检测超声波流量计中的触发信号，其中，触发信号为变压器驱动电路发送至发射换能器的驱动信号；当阈值触发电路检测到触发信号时，驱动发射换能器发送超声波信号，并以接收到触发信号的时间作为计时的初始点；当接收换能器接收到超声波信号时，则以接收到超声波信号作为计时的截止点；根据计时的初始点与计时的截止点之差，显示超声波信号在管道传输的时间。通过以接收到触发信号作为时间开始点，避免了现有超声波流量计在控制器发送DA转换指令时就开始计时，大幅地减小了温度对超声波声速的影响，提升了超声波流量计测量的准确度。

Description

超声波流量计消除温度影响声速的方法

技术领域

本发明涉及超声波流量计领域，特别是涉及一种气体超声波流量计消除温度影响声速的方法。

背景技术

时差法作为超声波流量计量的主要方法之一，其原理是通过测量超声波信号在流体中顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速，相对于电磁流量计，超声波流量计量可测量不导电的介质，因此，其应用场合更加广泛。

然而，在超声波流量计测量原理可以发现，超声波在流体中的传播速度是作为已知的常量直接参与计算流速信息，而超声波在流体中的传播速度关于温度和压力的函数，具有明显的非线性特征，会随着温度的变化而改变的。因此，温度变化对流体中声速造成的影响不可忽视，需要一种专门针对超声波流量计，能够消除或大幅度降低温度影响声速的方法。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种超声波流量计消除温度影响声速的方法，用于解决现有技术中超声波流量计在测量时，温度因素对声速的影响，造成的测量误差大的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种所述超声波流量计消除温度影响声速的方法，所述超声波流量计包括发射换能器、接收换能器与收发电路，所述超声波流量计消除温度影响声速的方法至少包括：

实时检测所述超声波流量计中的触发信号，其中，所述收发电路包括变压器驱动电路与阈值触发电路，所述触发信号为所述变压器驱动电路发送至所述发射换能器的驱动信号；

当所述阈值触发电路检测到所述触发信号时，驱动所述发射换能器发送超声波信号，并以接收到所述触发信号的时间作为计时的初始点；

当所述接收换能器接收到所述超声波信号时，则以接收到所述超声波信号作为计时的截止点；

根据所述计时的初始点与所述计时的截止点之差，显示所述超声波信号在管道传输的时间。

优选地，所述当所述阈值触发电路检测到所述触发信号时，驱动所述发射换能器发送超 声波信号，并以接收到所述触发信号的时间作为计时的初始点，具体包括：

所述收发电路电路包括阈值触发电路；当所述阈值触发电路检测到所述变压器驱动电路发送的所述触发信号时，将所述触发信号作为所述发射换能器的激励信号，以驱动所述发射换能器发送超声波信号；并以接收到所述触发信号的时间点作为发送超声波信号的计时的初始点。

优选地，所述当所述阈值触发电路检测到所述变压器驱动电路发送的所述触发信号，具体包括：

所述阈值触发电路包括电压比较器，将基准电压连接至所述电压比较器的一个输入端，将所述变压器驱动电路发送的所述驱动信号连接至所述电压比较器的另一个输入端，当所述驱动信号的电压大于基准电压时，所述电压比较器输出高电平信号，则判定检测出超声波流量计中触发信号。

优选地，所述基准电压设置为300mv。

优选地，所述当所述接收换能器接收到所述超声波信号时，则以接收到所述超声波信号作为计时的截止点，具体包括：

所述收发电路中还包括控制器，当所述接收换能器接收到所述超声波信号时，将接收所述超声波信号的时间点发送给所述控制器，所述控制器以该时间点为计时的截止点。

优选地，所述控制器为DSP、PLC、FPGA中的一种或多种。

优选地，所述根据所述计时的初始点与所述计时的截止点之差，显示所述超声波信号在管道传输的时间，具体包括：

所述阈值触发电路将计时的初始点发送至所述控制器，所述接收换能器将计时的截止点发送至所述控制器，所述控制器根据接收的计时的初始点与所述计时的截止点之差，计算所述超声波信号在管道传输的时间，并显示计算的时间结果。

优选地，所述实时检测所述超声波流量计中的触发信号之前，还包括：

在预设的时间内，未检测所述超声波流量计中的触发信号时，发出报警信号通知操作者。

优选地，所述预设的时间为一毫秒。

优选地，所述未检测所述超声波流量计中的触发信号时，发出报警信号通知操作者，具体包括：

在一毫秒内，当所述驱动信号的电压小于300mv的基准电压时，所述电压比较器输出低电平信号，并发出报警信号，以通知操作者。

如上所述，本发明的超声波流量计消除温度影响声速的方法，具有以下有益效果：

通过在所述变压器驱动电路与所述发射换能器之间设置阈值触发电路，实时检测所述驱动信号是否为触发信号，当所述驱动信号为触发信号时，不仅驱动所述发射换能器发送超声波信号，同时，以检测到所述触发信号的时间点为计时的开始点，当所述接收换能器以接收到超声波信号的时间点为计时的截止点，所述控制器通过所述计时的开始点与所述计时点的截止点之间的差值，计算所述超声波信号在所述管道内传输时间。通过以接收到触发信号作为时间开始点，避免了现有超声波流量计在控制器发送DA转换指令时就开始计时，大幅地减小了温度对超声波流量计中硬件的影响，提升了超声波流量计测量的准确度。

附图说明

图1显示为本发明实施例提供的一种超声波流量计消除温度影响声速的方法流程图；

图2显示为本发明实施例提供的一种超声波流量计原理框架图；

图3显示为本发明实施例提供的一种超声波流量计消除温度影响声速的结构框图。

元件标号说明：

1、控制器，2、阈值触发电路，3、变压器驱动电路，4、发射换能器，5、接收换能器，6、DA转换器，7、电压放大电路。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种超声波流量计消除温度影响声速的方法流程图，其中，所述超声波流量计包括发射换能器4、接收换能器5与收发电路，所述超声波流量计消除温度影响声速的方法至少包括：

在步骤S101中，实时检测所述超声波流量计中的触发信号，其中，所述收发电路包括变压器驱动电路3与阈值触发电路2，所述触发信号为所述变压器驱动电路3发送至所述发射换能器4的驱动信号；

在本实施例中，所述驱动信号为所述变压器驱动电路3发出的信号。

在步骤S102中，当所述阈值触发电路2检测到所述触发信号时，驱动所述发射换能器4发送超声波信号，并以接收到所述触发信号的时间作为计时的初始点；

其中，当所述阈值触发电路2检测到所述变压器驱动电路3发送的所述触发信号时，将所述触发信号作为所述发射换能器4的激励信号，以驱动所述发射换能器4发送超声波信号；并以接收到所述触发信号的时间点作为发送超声波信号的计时的初始点。

具体地，所述当所述阈值触发电路2检测到所述变压器驱动电路3发送的所述触发信号，具体包括：

所述阈值触发电路2包括电压比较器，将基准电压连接至所述电压比较器的一个输入端，将所述变压器驱动电路3发送的所述驱动信号，连接至所述电压比较器的另一个输入端，当所述驱动信号的电压大于基准电压时，所述电压比较器输出高电平信号，则判定检测出超声波流量计中触发信号。

优选地，所述基准电压设置为300mv，当然，也可以根据测量管道直径与测量物质不同，调整所述基准电压的范围。

在步骤S103中，当所述接收换能器5接收到所述超声波信号时，则以接收到所述超声波信号作为计时的截止点；

其中，所述收发电路包括控制器1，当所述接收换能器5接收到所述超声波信号时，将接收所述超声波信号的时间点发送给所述控制器1，所述控制器1以该时间点为所述超声波信号在管道中传输的计时的截止点。

优选地，所述控制器1为DSP、PLC、FPGA中的一种或多种。

在本实施例中，所述控制器1优选为FPGA，其中，FPGA选用ALTERA公司的EP4E10，DA选用ADI的AD9760。

在步骤S104中，根据所述计时的初始点与所述计时的截止点之差，显示所述超声波信号在管道传输的时间。

其中，所述阈值触发电路2将计时的初始点发送至所述控制器1，所述接收换能器将计时的截止点发送至所述控制器1，所述控制器1根据接收的计时的初始点与所述计时的截止点之差，计算所述超声波信号在管道传输的时间，并显示计算的时间结果。

在本实施例中，所述控制器1根据接收的所述计时的初始点与所述计时的截止点之差为t。

优选地，所述实时检测所述超声波流量计中的触发信号之前，还包括：

在预设的时间内，未检测所述超声波流量计中的触发信号时，发出报警信号通知操作者。

优选地，所述预设的时间为一毫秒。

优选地，所述未检测所述超声波流量计中的触发信号时，发出报警信号通知操作者，具体包括：

在一毫秒内，当所述驱动信号的电压小于300mv的基准电压时，所述电压比较器输出低电平信号，并发出报警信号，以通知操作者。

在本实施例中，如果所述驱动信号的电压小于300mv的基准电压时，且在一毫秒时间内，电压比较器输出低电平信号，发送至控制器1，所述控制器1接收到该低电平信号，发出报警信号，以通知操作者。

其中，通知操作者的方式包括以指示灯、显示图表或语音警报的中任意一种或多种。

如图2所示，为本发明实施例提供的一种超声波流量计原理框架图。在本实施例中，换能器1作为发送超声波脉冲信号，换能器2作为接收超声波脉冲信号，其发射与接收之间相差的时间为t₁，换能器2作为发送超声波脉冲信号，换能器1作为接收超声波脉冲信号，其发射与接收之间相差的时间为t₂，t₁与t₂之差为Δt，其与管道内流体流速关系：

式(1)中，c为超声波在流体中的速度，d为管道直径，θ是两超声波换能器与管道水平方向夹角。由式(1)可见，当超声波在静止气体中传播速度可认为是常数时，流体流速与时间差Δt成正比，测量Δt即可得到流速，从而计算从管道中流体的流速。

具体地，超声波声速C是关于温度的函数，温度变化对超声波声速C的影响很大，通过顺程与逆程分别对得到公式(2)、公式(3)：

将公式(2)与公式(3)相减，得到关于流速的公式(4)

式(2)、式(3)、式(4)中c为超声波在流体中的速度，d为管道直径，θ是两超声波换能器与管道水平方向夹角。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种超声波流量计消除温度影响声速的结构框图。

当控制器1向DA转换器6发送DA转换指令时，以该时间点为时间起始点，当以所述接收换能器5接收到超声波信号的时间为计时截止点，然而，中间存在DA转换器6在接收到所述控制器1向外输出模拟信号的时间延迟，该时间延迟为t_pda，电压放大电路7接收该模拟信号，将该模拟信号放大过程产生的延迟为t_po，变压器驱动电路3接收到所述电压放大电路7的放大模拟信号，对外输出驱动信号而长生的延迟为t_pt，并且t_pt为输出延迟的绝大部分，当接收换能器5接收超声波信号而产生的延迟为t_r，以所述控制器1在接收到所述超声波信号的时间点与经过AD转换器之间的差值为t_r，超声波本身在管道传输的时间为t。因此，超声波流量计显示的总体时间为t₁，表示如下公式(5)：

t₁＝t+t_pda+t_po+t_pt+t_r (5)

在本实施例中，当所述驱动信号为触发信号时，不仅驱动所述发射换能器4发送超声波信号，同时，以检测到所述触发信号的时间点为计时的开始点，当所述接收换能器5以接收到超声波信号的时间点为计时的截止点，t_pda、t_po、t_pt、t_r分别是信号传输过程中各种输出延迟属于固有特性，随着温度的不同会在传输过程中发生变化。从而到得到超声波流量计显示的总体时间t₁为t与t_r之和，并且阈值触发电路2延迟很短只有皮秒级，几乎不影响测量精度，可忽略不计。消除了t_pda+t_po+t_pt对总体时间的影响，减少了绝大部分延迟，从而大幅提高了测量精度，消除了因为超声波声速变化对测量值的影响。

综上所述，本发明通过在所述变压器驱动电路3与所述发射换能器4之间设置阈值触发电路2，实时检测所述驱动信号是否为触发信号，当所述驱动信号为触发信号时，不仅驱动所述发射换能器4发送超声波信号，同时，以检测到所述触发信号的时间点为计时的开始点，当所述接收换能器5以接收到超声波信号的时间点为计时的截止点，所述控制器1通过所述计时的开始点与所述计时点的截止点之间的差值，计算所述超声波信号在所述管道内传输时间。通过以接收到触发信号作为时间开始点，避免了现有超声波流量计在控制器1发送DA转换指令时就开始计时，大幅地减小了温度对超声波流量计中硬件的影响，提升了超声波流量计测量的准确度。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种超声波流量计消除温度影响声速的方法，其特征在于，所述超声波流量计包括发射换能器、接收换能器与收发电路，所述超声波流量计消除温度影响声速的方法至少包括：

实时检测所述超声波流量计中的触发信号，其中，所述收发电路包括变压器驱动电路与阈值触发电路，所述触发信号为所述变压器驱动电路发送至所述发射换能器的驱动信号；

当所述阈值触发电路检测到所述触发信号时，驱动所述发射换能器发送超声波信号，并以接收到所述触发信号的时间作为计时的初始点；

其中，当所述阈值触发电路检测到所述变压器驱动电路发送的所述触发信号时，将所述触发信号作为所述发射换能器的激励信号，以驱动所述发射换能器发送超声波信号；并以接收到所述触发信号的时间点作为发送超声波信号的计时的初始点；所述阈值触发电路包括电压比较器，将基准电压连接至所述电压比较器的一个输入端，将所述变压器驱动电路发送的所述驱动信号连接至所述电压比较器的另一个输入端，当所述驱动信号的电压大于基准电压时，所述电压比较器输出高电平信号，则判定检测出超声波流量计中触发信号；

当所述接收换能器接收到所述超声波信号时，则以接收到所述超声波信号作为计时的截止点；

根据所述计时的初始点与所述计时的截止点之差，显示所述超声波信号在管道传输的时间。

2.根据权利要求1所述的超声波流量计消除温度影响声速的方法，其特征在于，所述基准电压设置为300mv。

3.根据权利要求1所述的超声波流量计消除温度影响声速的方法，其特征在于，所述当所述接收换能器接收到所述超声波信号时，则以接收到所述超声波信号作为计时的截止点，具体包括：

所述收发电路中还包括控制器，当所述接收换能器接收到所述超声波信号时，将接收所述超声波信号的时间点发送给所述控制器，所述控制器以该时间点为计时的截止点。

4.根据权利要求3所述的超声波流量计消除温度影响声速的方法，其特征在于，所述控制器为DSP、PLC、FPGA中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的超声波流量计消除温度影响声速的方法，其特征在于，所述根据所述计时的初始点与所述计时的截止点之差，显示所述超声波信号在管道传输的时间，具体包括：

所述阈值触发电路将计时的初始点发送至控制器，所述接收换能器将计时的截止点发送至所述控制器，所述控制器根据接收的计时的初始点与所述计时的截止点之差，计算所述超声波信号在管道传输的时间，并显示计算的时间结果。

6.根据权利要求1所述的超声波流量计消除温度影响声速的方法，其特征在于，所述实时检测所述超声波流量计中的触发信号之前，还包括：

在预设的时间内，未检测所述超声波流量计中的触发信号时，发出报警信号通知操作者。

7.根据权利要求6所述的超声波流量计消除温度影响声速的方法，其特征在于，所述预设的时间为一毫秒。

8.根据权利要求7所述的超声波流量计消除温度影响声速的方法，其特征在于，所述未检测所述超声波流量计中的触发信号时，发出报警信号通知操作者，具体包括：

在一毫秒内，当所述驱动信号的电压小于300mv的基准电压时，所述电压比较器输出低电平信号，并发出报警信号，以通知操作者。