CN112964898A - 一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法 - Google Patents

一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112964898A
CN112964898A CN202110186959.9A CN202110186959A CN112964898A CN 112964898 A CN112964898 A CN 112964898A CN 202110186959 A CN202110186959 A CN 202110186959A CN 112964898 A CN112964898 A CN 112964898A
Authority
CN
China
Prior art keywords
propagation
ultrasonic wave
ultrasonic
time difference
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110186959.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112964898B (zh
Inventor
孙启玉
刘玉峰
张永忠
李红超
伊西锋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shandong Fengshi Information Technology Co ltd
Original Assignee
Shandong Fengshi Information Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shandong Fengshi Information Technology Co ltd filed Critical Shandong Fengshi Information Technology Co ltd
Priority to CN202110186959.9A priority Critical patent/CN112964898B/zh
Publication of CN112964898A publication Critical patent/CN112964898A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112964898B publication Critical patent/CN112964898B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法，属于超声波水表技术领域。本发明流速测量采用时间差法原理，通过测量静水状态下超声波的传播时间及此温度下对应的超声波在水中的传播速度计算得到超声波实际传播距离；通过测量任意水温下超声波在两换能器之间的传播时间和已经测量得到的实际传播距离来消除声速对流速计算的影响；通过测量静水状态下超声波在上、下游换能器传播时间差来确定***固有时间差，并在流速计算时消除***固有时间差带来的影响。本发明方法能够消除声速对时间差算法计算流速的影响，并可以消除因电子元器件、换能器差异带来的***固有的时间差给测量带来的误差，测量精度高。

Description

一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量 方法
技术领域
本发明涉及超声波水表技术领域，特别涉及一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法。
背景技术
水表作为测量用水的工具，广泛使用在各种用水的场所，例如家庭用水，工业用水以及农业用水等，但是现有常用的是机械式水表，而机械式水表受限较多，所以并不能广泛应用在各种环境下。于是人们设计出超声波水表，其具有量程宽，适用环境强等优点。
超声水表是目前技术相对成熟、正在推广使用的一种新型电子水表。用于封闭管道饮用水计量的超声水表多采用传播时间法原理，通过测量超声波声束在测量管内流体中顺流/逆流传播时产生的时差，计算出流体的瞬时流速，进而得出流体的累积流量。
基于时间差法计算流速时，流速主要与超声波在介质中的传播速度、超声波传播距离有关，而当被测介质温度、压力等物性参数改变时，超声波传播速度就会随之改变，导致测量结果出现误差。因电子元器件、换能器差异也会带来***固有时间差，给测量造成误差。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，解决现有技术中由于被测介质温度等参数改变时，超声波传播速度随之改变，导致测量结果出现误差的问题，本发明提供了一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法。本发明的超声波水表流速计算方法能够消除声速对时间差法计算流速的影响，并可以消除因电子元器件、换能器差异带来的***固有的时间差给测量带来的误差。
本发明的技术方案为：
一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法：
1)静水状态下测得超声波实际传播距离
①测量静水状态下超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu静和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td静；根据测得的上游传播时间tu静和下游传播时间td静计算超声波在静水状态下的实际传播时间t0，t0＝(tu静+td静)/2；
②流量检定装置测量管道中水的实际温度T，并将温度数据发送到水表端；水表根据接收到的温度，获得该温度下超声波在水中的传播速度C0；
③计算超声波在管道中的实际传播距离M，M＝t0×C0并将M保存至单片机的存储器中；
2)计算***固有时间差△t0，△t0＝td静-tu静，并将△t0保存到单片机的存储器中；
3)流速测量
A.水流状态下，测得超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu动和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td动；根据测得的td动和tu动计算顺逆流时间差△t，△t＝(td动-tu动)-△t0；
B.利用步骤1)测得的超声波在管道中的实际传播距离M，得到流速v；
v＝(2M2×△t)/[(td动+tu动)2×L]；其中L为超声波水表中两反射片之间的距离。
所述超声波水表的换能器采用反射式安装，流速计算采用时间差法原理；超声波实际传播距离通过测量静水状态下超声波的传播时间及此温度下对应的超声波在水中的传播速度计算得到；通过测量任意水温下超声波在两换能器之间的传播时间和已经测量得到的实际传播距离来消除声速对流速计算的影响；通过测量静水状态下超声波在上、下游换能器传播时间差来确定***固有时间差，并在流速计算时消除***固有时间差带来的影响。
作为一种优选的实施方式，步骤①中，上游传播时间tu静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
作为一种优选的实施方式，步骤①中，下游传播时间td静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
作为一种优选的实施方式，步骤②中，水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格，判断当前温度T所在范围TL＜T＜TH，及其对应声速C0的范围CL＜C0＜CH，通过线性拟合得到该温度下超声波在水中的传播速度C0＝CL+(T-TL)*[(CH-CL)/(TH-TL)]。
作为一种优选的实施方式，步骤②中，流量检定装置测量所得的水的实际温度数据通过红外通信接口发送到水表端。
作为一种优选的实施方式，步骤①，首先使水在超声波管段内流动，待温度稳定后，关闭流量检定装置的阀门，在静水状态下测量上游传播时间tu静和下游传播时间td静。
本发明的有益效果为：
本发明基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法能够消除声速对时间差算法计算流速的影响，并可以消除因电子元器件、换能器差异带来的***固有的时间差给测量带来的误差；测量精度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法的流程图；
图2为实施例所用超声波水表的内部框图；
图3为超声波水表的基表的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
需要说明的是，本发明基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法应用于现有的超声波水表，在本实施例中，所用超声波水表的内部基本结构框图如图2所示。其中STM32L073V8T6为单片机，TDC-GP22为时间测试芯片。
如图1所示，一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法：
1)静水状态下测得超声波实际传播距离
①首先使水在超声波管段内充分流动，待温度稳定后，关闭流量检定装置的阀门，静水状态下，测量超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu静和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td静。
根据测得的上游传播时间tu静和下游传播时间td静计算超声波在静水状态下的实际传播时间t0，t0＝(tu静+td静)/2；其中，上游传播时间tu静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值；下游传播时间td静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
②流量检定装置测量管道中水的实际温度T，并将温度数据通过红外通信接口发送到发送到水表端；水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格(表1)，判断当前温度T所在范围TL＜T＜TH，及其对应声速C0的范围CL＜C0＜CH，(比如实际T水温为20.5℃，则TL为20℃，TH为21℃；CL为1482.258m/s，CH为1485.286m/s；)通过线性拟合得到该温度下超声波在水中的传播速度(通过以下公式拟合)获得该温度下超声波在水中的传播速度C0，C0＝CL+(T-TL)*[(CH-CL)/(TH-TL)]。
内置于***的速度-温度关系表格如表1所示：
表1 超声波传播速度与流体速度的关系(1标准大气压下)
Figure BDA0002940593440000041
Figure BDA0002940593440000051
Figure BDA0002940593440000061
③计算超声波在管道中的实际传播距离M，M＝t0×C0并将M保存至STM32L073V8T6单片机的存储器中；
2)计算***固有时间差△t0，△t0＝td静-tu静，并将△t0保存到STM32L073V8T6单片机的存储器中；
3)流速测量
本实施例所使用的换能器反射式安装的基表如图3所示，管道直径为D，流体流动方向由左向右，P1、P2分别为上游换能器和下游换能器，换能器与反射片距离为S，反射片与水平面夹角为45°，两反射片的距离为L，超声波在流体中传播速度为c，流体线速度为v；
则：
超声波由P1传到P2的上游传播时间：tu＝[L/(c+v)]+(2S/c) (1)
超声波由P2传到P1的下游传播时间：td＝[L/(c-v)]+(2S/c) (2)
流速测量方法如下：
A.水流状态下，测得超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu动和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td动；根据测得的td动和tu动，由式(1)和式(2)及已测得的***固有时间差，计算顺逆流时间差△t，△t＝(td动-tu动)-△t0＝2Lv/(c2-v2)；
由于在水中超声波声速远大于流体流速，即，c2远大于v2，因此可用c2近似取代分母中的c2-v2，由此可以得到线速度v；
v＝(△t*c2)/2L (3)
B.以t＝((td动+tu动)/2近似为当前超声波的传播时间，利用步骤1)测得的超声波在管道中的实际传播距离M，通过公式c＝M/t；带入公式(3)，得
v＝(2M2×△t)/[(td动+tu动)2×L]；
其中L为超声波水表中两反射片之间的距离。

Claims (6)

1.一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法，其特征在于，包括步骤：
1)静水状态下测得超声波实际传播距离
①测量静水状态下超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu静和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td静；根据测得的上游传播时间tu静和下游传播时间td静计算超声波在静水状态下的实际传播时间t0，t0＝(tu静+td静)/2；
②流量检定装置测量管道中水的实际温度T，并将温度数据发送到水表端；水表根据接收到的温度，获得该温度下超声波在水中的传播速度C0；
③计算超声波在管道中的实际传播距离M，M＝t0×C0并将M保存至单片机的存储器中；
2)计算***固有时间差△t0，△t0＝td静-tu静，并将△t0保存到单片机的存储器中；
3)流速测量
A.水流状态下，测得超声波在管道中由上游超声波换能器传播到下游超声波换能器的上游传播时间tu动和由下游超声波换能器传播到上游超声波换能器的下游传播时间td动；根据测得的td动和tu动计算顺逆流时间差△t，△t＝(td动-tu动)-△t0；
B.利用步骤1)测得的超声波在管道中的实际传播距离M，得到流速v；
v＝(2M2×△t)/[(td动+tu动)2×L]；其中L为超声波水表中两反射片之间的距离。
2.如权利要求1所述基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法，其特征在于：步骤①中，上游传播时间tu静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
3.如权利要求1所述基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法，其特征在于：步骤①中，下游传播时间td静为测量若干次并去掉最大值、最小值后的平均值。
4.如权利要求1-3任一项所述基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法，其特征在于：步骤②中，水表根据接收到的温度以及预设的速度温度关系表格，判断当前温度T所在范围TL＜T＜TH，及其对应声速C0的范围CL＜C0＜CH，通过线性拟合得到该温度下超声波在水中的传播速度C0＝CL+(T-TL)*[(CH-CL)/(TH-TL)]。
5.如权利要求1或2所述基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法，其特征在于：步骤②中，流量检定装置测量所得的水的实际温度数据通过红外通信接口发送到水表端。
6.如权利要求1所述基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法，其特征在于：步骤①，首先使水在超声波管段内流动，待温度稳定后，关闭流量检定装置的阀门，在静水状态下测量上游传播时间tu静和下游传播时间td静。
CN202110186959.9A 2021-02-07 2021-02-07 一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法 Active CN112964898B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110186959.9A CN112964898B (zh) 2021-02-07 2021-02-07 一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110186959.9A CN112964898B (zh) 2021-02-07 2021-02-07 一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112964898A true CN112964898A (zh) 2021-06-15
CN112964898B CN112964898B (zh) 2023-02-28

Family

ID=76284972

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110186959.9A Active CN112964898B (zh) 2021-02-07 2021-02-07 一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112964898B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114001804A (zh) * 2021-11-01 2022-02-01 成都千嘉科技有限公司 一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***

Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH054075U (ja) * 1991-07-05 1993-01-22 オリンパス光学工業株式会社 測距装置および測距装置用発信装置
DE10211552A1 (de) * 2001-03-30 2002-10-02 Surpass Industry Co Verfahren und Einrichtung zur Messung der Flussgeschwindigkeit und Verfahren und Einrichtung zur Messung der Flussrate
CN1926407A (zh) * 2004-02-26 2007-03-07 富士电机***株式会社 超声波流量计和超声波流量测量方法
CN101598580A (zh) * 2009-07-24 2009-12-09 国网电力科学研究院 一种提高时差式超声波流量计精度的方法
CN103649691A (zh) * 2011-06-24 2014-03-19 Avl里斯脱有限公司 用于按照超声波传播时间方法确定流体的流量的方法
CN105091970A (zh) * 2015-08-07 2015-11-25 北京控制工程研究所 超声波流量计动态补偿方法
CN105698884A (zh) * 2016-03-07 2016-06-22 上海电气自动化设计研究所有限公司 一种时差式超声波流量计改进的测量方法
CN106441520A (zh) * 2016-10-26 2017-02-22 齐鲁工业大学 一种小口径超声波水表精度校准方法及其校准***
CN106768103A (zh) * 2016-12-07 2017-05-31 浙江威星智能仪表股份有限公司 一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法
CN107748273A (zh) * 2017-09-29 2018-03-02 中国石油大学(华东) 一种基于管流试验环道的管道压力波速测试装置及方法
CN108195436A (zh) * 2018-03-28 2018-06-22 上海中核维思仪器仪表有限公司 带自校准功能的***式气体超声波流量计测量装置及方法
CN108279416A (zh) * 2018-01-18 2018-07-13 安徽英凯环境技术有限公司 一种超声波测距***及其精确测量回波到达时刻的方法
CN111256788A (zh) * 2020-03-24 2020-06-09 青岛清万水技术有限公司 一种时差法超声波流量计的校验方法
CN112254835A (zh) * 2020-09-25 2021-01-22 宁波水表(集团)股份有限公司 一种基于超声水表的水流温度测量方法以及超声波水表

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH054075U (ja) * 1991-07-05 1993-01-22 オリンパス光学工業株式会社 測距装置および測距装置用発信装置
DE10211552A1 (de) * 2001-03-30 2002-10-02 Surpass Industry Co Verfahren und Einrichtung zur Messung der Flussgeschwindigkeit und Verfahren und Einrichtung zur Messung der Flussrate
US20020143480A1 (en) * 2001-03-30 2002-10-03 Surpass Industry Co., Ltd. Method and apparatus for measuring flow velocity and method and apparatus for measuring flow rate
CN1926407A (zh) * 2004-02-26 2007-03-07 富士电机***株式会社 超声波流量计和超声波流量测量方法
CN101598580A (zh) * 2009-07-24 2009-12-09 国网电力科学研究院 一种提高时差式超声波流量计精度的方法
CN103649691A (zh) * 2011-06-24 2014-03-19 Avl里斯脱有限公司 用于按照超声波传播时间方法确定流体的流量的方法
CN105091970A (zh) * 2015-08-07 2015-11-25 北京控制工程研究所 超声波流量计动态补偿方法
CN105698884A (zh) * 2016-03-07 2016-06-22 上海电气自动化设计研究所有限公司 一种时差式超声波流量计改进的测量方法
CN106441520A (zh) * 2016-10-26 2017-02-22 齐鲁工业大学 一种小口径超声波水表精度校准方法及其校准***
CN106768103A (zh) * 2016-12-07 2017-05-31 浙江威星智能仪表股份有限公司 一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法
CN107748273A (zh) * 2017-09-29 2018-03-02 中国石油大学(华东) 一种基于管流试验环道的管道压力波速测试装置及方法
CN108279416A (zh) * 2018-01-18 2018-07-13 安徽英凯环境技术有限公司 一种超声波测距***及其精确测量回波到达时刻的方法
CN108195436A (zh) * 2018-03-28 2018-06-22 上海中核维思仪器仪表有限公司 带自校准功能的***式气体超声波流量计测量装置及方法
CN111256788A (zh) * 2020-03-24 2020-06-09 青岛清万水技术有限公司 一种时差法超声波流量计的校验方法
CN112254835A (zh) * 2020-09-25 2021-01-22 宁波水表(集团)股份有限公司 一种基于超声水表的水流温度测量方法以及超声波水表

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114001804A (zh) * 2021-11-01 2022-02-01 成都千嘉科技有限公司 一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***
CN114001804B (zh) * 2021-11-01 2024-04-16 成都千嘉科技有限公司 一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***

Also Published As

Publication number Publication date
CN112964898B (zh) 2023-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5856622A (en) Clamp-on type ultrasonic flow meter and a temperature and pressure compensation method therein
SU753367A3 (ru) Устройство дл измерени объемного расхода в цилиндрическом трубопроводе
US4331025A (en) Methods of measuring fluid viscosity and flow rate
CN107860430B (zh) 一种基于时差法的超声波气体流量计时间差测量方法
CN112964317A (zh) 一种基于温度补偿的流量测算方法
CN114001804B (zh) 一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***
JP2014092467A (ja) 流量計測装置
CN112964898B (zh) 一种基于超声波静水传播距离和***固有时间差的流速测量方法
CN111238587A (zh) 一种超声波换能器传输时间校准方法
CN114563052A (zh) 一种气体超声流量计
CN116499539B (zh) 一种超声水表及测量方法
Rychagov et al. Multipath flowrate measurements of symmetric and asymmetric flows
JPH0447770B2 (zh)
CN115638846A (zh) 基于声速追踪的超声波流量测量方法及用该方法的流量计
CN104964718A (zh) 一种小流量超声波流量***及测量方法
Ma Ultrasonic Gas Flowmeter Based on Dynamic Reference Waveform Cross-Correlation Algorithm
CN209745338U (zh) 一种超声水表用测量管
Li et al. A novel differential time-of-flight algorithm for high-precision ultrasonic gas flow measurement
Yazdanshenasshad et al. Reducing the additional error caused by the time‐difference method in transit‐time UFMs
CN114235112B (zh) 一种应用于超声波水表的流场监控装置
CN217083840U (zh) 一种可调角度的气体超声流量计
Jackson et al. A three-path ultrasonic flowmeter for small-diameter pipelines
CN204730897U (zh) 一种小流量超声波流量计
JPH0791996A (ja) 超音波流量計
Oya et al. Cross-Correlation based Ultrasonic Gas Flow Sensor with Temperature Compensation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant