CN107860430B - 一种基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法，包括：1)采集顺流方向超声波回波信号X1(k)和逆流方向超声波回波信号X2(k)；2)搜索顺、逆流方向超声波回波信号的有效极大值点，并选择顺、逆流方向超声波回波信号有效极大值点中的第3个极大值点所对应的时间做为顺、逆流方向超声波由发送到接收的传播时间；3)计算顺、逆流方向超声波时差；4)计算管道中流体的流速vt；5)计算管道中流体的体积流量qv。该方法能够准确的获得顺、逆流超声波传播时间差，稳定性高，抗噪声干扰强，通过使用本发明中的方法对气体流量进行测量，能够得到准确、稳定的气体流量测量值。

Description

一种基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法
技术领域
本发明属于超声波测量技术领域，涉及超声波气体流量测量技术，尤其是一种基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法。
背景技术
在石油天然气能源行业中，其流量的高精度测量，对节约能源，降低生产成本是十分重要的，超声波气体流量计因其具有非接触式测量、测量精度高、测量范围宽、以及安装、使用、维护方便等优点被广泛应用于油气田生产现场中，通常，油气田生产中，被测流体非常复杂，其中含有稠油、砂、水、泥浆、气泡等多种物质，如何对于这种混有多种杂质的复杂流体的流量进行高精度测量尤为重要，现有国内的超声波流量计成本较低，但是总体的测量性能不高，国外的超声波流量计在精度、性能等方面比较好，但是价格昂贵，限制了其在工业中大量的应用。
基于时差法测量原理的超声波气体流量计是根据超声波信号顺流传播时间与逆流传播时间之差来计算流体的流速，进而得到流体的体积流量，现有的超声波传播时间差测量方法存在测量精度低的问题，因此，寻求一种准确测量顺、逆流方向超声波由发射到接收的传播时间差方法，对于本领域提高超声波气体流量计的测量精度和稳定性有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法，其能够提高超声波气体流量计测量精度和稳定性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法，包括以下步骤：
步骤1：采集顺流方向超声波回波信号X1(k)和逆流方向超声波回波信号X2(k)；
步骤2：搜索顺、逆流方向超声波回波信号X1(k)、X2(k)的有效极大值点，并选择顺、逆流方向超声波回波信号有效极大值点中的第3个极大值点p1、p2所对应的时间t1、t2作为顺、逆流方向超声波由发送到接收的传播时间；
步骤3：计算顺、逆流方向超声波时差Δt，
Figure BDA0001438660030000021
步骤4：计算管道中流体的流速vt，
Figure BDA0001438660030000022
其中，D为管道直径，θ为超声波换能器与管道法线之间的夹角；
步骤5：计算管道中流体的体积流量qv，
Figure BDA0001438660030000023
其中，K为线流速转化为面流速的补偿系数。
进一步，以上步骤1中，利用超声波传感器检测顺、逆流方向的超声波回波信号。
进一步，以上利用高速ADC以一定的采样频率fs对超声波回波信号进行采集。其中，优选的，fs＞(10～20)f，f为超声波回波信号的频率。
进一步的，以X(k)代表X1(k)或X2(k)，以p代表p1或者p2，t代表t1或t2，步骤2具体包括：
步骤2.1：设置阈值T，窗口宽度WID，数据长度n，初始循环变量k；
步骤2.2：k＝k+1，当X(k)＞T时，在k到k+WID的窗口范围内搜索超声波回波信号的最大值点，记下最大值点的位置，即是所找的第一个有效极大值点；
步骤2.3：按照步骤2.2继续搜索，直到搜索到k＞n-WID-1为止，停止搜索，即找到超声波回波信号的所有有效极大值点；
步骤2.4：选择该超声波回波信号有效极大值点中的第3个极大值点所对应的时间，即第三个极大值点p的位置乘以采样时间Ts，作为顺流或逆流方向超声波由发送到接收的传播时间t，t＝p×Ts。
进一步的，以上步骤2.1中，由于超声波换能器的性能存在差异，所述阈值T值的选取应根据超声波回波信号的幅值大小决定，一般情况下，能够保证超声波回波信号最大值前面有5到8个有效极大值点即可。
进一步的，以上步骤2.1中，所述窗口宽度WID取超声波回波信号的1/2周期。其中初始循环变量k＝0。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法，与现有计算顺、逆流方向超声波由发送到接收传播时间差的超声波信号识别和处理方法相比较，本发明采用超声波回波信号中有效极大值点中的第3个极大值点作为超声波由发送到接收的传播时间，能够准确测量顺、逆流超声波的传播时间差，并且稳定性高，受噪声干扰影响小，能够明显的提高超声波气体流量计测量的精度以及稳定性。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法，包括以下步骤：
步骤1：采集顺流方向超声波回波信号X1(k)和逆流方向超声波回波信号X2(k)；利用超声波传感器检测顺、逆流方向的超声波回波信号。利用高速ADC以一定的采样频率fs对超声波回波信号进行采集。
优选的，所述fs＞(10～20)f，f为超声波回波信号的频率。
步骤2：搜索顺、逆流方向超声波回波信号X1(k)、X2(k)的有效极大值点，并选择顺、逆流方向超声波回波信号有效极大值点中的第3个极大值点p1、p2所对应的时间t1、t2做为顺、逆流方向超声波由发送到接收的传播时间。由于逆流方向超声波传播时间t2的测量同顺流方向超声波传播时间t1测量方法一样，以下以X(k)代表X1(k)或X2(k)，以p代表p1或者p2，t代表t1或t2，步骤2具体还包括以下子步骤：
步骤2.1：设置阈值T，窗口宽度WID，数据长度n，初始循环变量k。其中：阈值T值的选取应根据超声波回波信号的幅值大小决定，一般情况下，能够保证超声波回波信号最大值前面有5到8个有效极大值点即可；窗口宽度WID取超声波回波信号的1/2周期；初始循环变量k＝0。
步骤2.2：k＝k+1，当X(k)＞T时，在k到k+WID的窗口范围内搜索超声波回波信号的最大值点，记下最大值点的位置，即是所找的第一个有效极大值点；
步骤2.3：按照步骤2.2继续搜索，直到搜索到k＞n-WID-1为止，停止搜索，即找到超声波回波信号的所有有效极大值点；
步骤2.4：选择该超声波回波信号有效极大值点中的第3个极大值点所对应的时间，即第三个极大值点p的位置乘以采样时间Ts，做为顺流或逆流方向超声波由发送到接收的传播时间t，t＝p×Ts。
步骤3：计算顺、逆流方向超声波时差Δt，
Figure BDA0001438660030000051
步骤4：计算管道中流体的流速vt，
Figure BDA0001438660030000052
其中，D为管道直径，θ为超声波换能器与管道法线之间的夹角；
步骤5：计算管道中流体的体积流量qv，
Figure BDA0001438660030000053
其中，K为线流速转化为面流速的补偿系数。
综上所述，本发明采用超声波回波信号中有效极大值点中的第3个极大值点做为超声波由发送到接收的传播时间，该方法能够准确的获得顺、逆流超声波传播时间差，稳定性高，抗噪声干扰强，通过使用本发明中的方法对气体流量进行测量，能够得到准确、稳定的气体流量测量值。

Claims (3)

1.一种基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集顺流方向超声波回波信号X1(k)和逆流方向超声波回波信号X2(k)；利用超声波传感器检测顺、逆流方向的超声波回波信号；
步骤2：搜索顺、逆流方向超声波回波信号X1(k)、X2(k)的有效极大值点，并选择顺、逆流方向超声波回波信号有效极大值点中的第3个极大值点p1、p2所对应的时间t1、t2做为顺、逆流方向超声波由发送到接收的传播时间；以X(k)代表X1(k)或X2(k)，以p代表p1或者p2，t代表t1或t2，步骤2具体包括：
步骤2.1：设置阈值T，窗口宽度WID，数据长度n，初始循环变量k；
步骤2.2：k＝k+1，当X(k)＞T时，在k到k+WID的窗口范围内搜索超声波回波信号的最大值点，记下最大值点的位置，即是所找的第一个有效极大值点；所述窗口宽度WID取超声波回波信号的1/2周期；
步骤2.3：按照步骤2.2继续搜索，直到搜索到k＞n-WID-1为止，停止搜索，即找到超声波回波信号的所有有效极大值点；
步骤2.4：选择该超声波回波信号有效极大值点中的第3个极大值点所对应的时间，即第三个极大值点p的位置乘以采样时间Ts，作为顺流或逆流方向超声波由发送到接收的传播时间t，t＝p×Ts；
步骤3：计算顺、逆流方向超声波时差Δt，
Figure FDA0002318637870000011
步骤4：计算管道中流体的流速vt，
Figure FDA0002318637870000012
其中，D为管道直径，θ为超声波换能器与管道法线之间的夹角；
步骤5：计算管道中流体的体积流量qv，
Figure FDA0002318637870000013
其中，K为线流速转化为面流速的补偿系数。
2.根据权利要求1所述的基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法，其特征在于，利用高速ADC以一定的采样频率fs对超声波回波信号进行采集；fs＞(10～20)f，f为超声波回波信号的频率。
3.根据权利要求1所述的基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法，其特征在于，初始循环变量k＝0。
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