CN113092815B - 一种实时测量水流三维速度的超声方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时测量水流三维速度的超声方法，具体涉及水文环境测量技术领域，本发明通过采用测量探头，发射探头发射多频脉冲后，经三个接收探头接收到超声波，数字化超声仪器对三路回波信号与发射的超声信号进行鉴别对比，并根据超声波信号频率的偏移值，得出每一路信号的水流速度，最后控制测量探头在管道外壁进行轴向移动和周向转动，可实现对一段管道内部进行多位置和多角度的速度测量，最后得出一段管道内部测量的水流速度平均值，避免管道单一位置出现锈蚀或管道材质疏影响超声波衰减造成检测结果的误差较大，多角度和多个位置采集的多组数据，可较为精准客观的判断水流速度，使检测结果更加客观稳定。
Description
技术领域
本发明涉及水文环境测量技术领域，更具体地说，本发明涉及一种实时测量水流三维速度的超声方法。
背景技术
测量速度的方法有很多，针对不同的目标、不同环境下有不同的测量方法。在陆地上，对车辆一般采用雷达测速仪来测量速度。雷达测速仪主要利用了多普勒效应原理。多普勒效应是一种当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不一致的现象，具体表现为当观察者相对于声源做靠近运动时，观察者接收的频率会比声波本身的频率高；反之，当观察者相对于声源做远离运动时，观察者接收的频率会比声波本身的频率低。雷达测速仪根据接收到的反射电磁波的频率偏移量来计算移动物体的运动速度。
对水下物体进行运动速度测量时，由于电磁波在水下衰减严重，所以一般采用声波来测量运动目标的速度。目前，对水体的流动速度测量主要分为三类方法。第一类方法是通过机械装置来进行水体流动速度的测量，它是利用轮轴旋转信息来进行水流速与方向的测量的。这类方法主要包括机械式速度测量、测速发电机型速度测量、霍尔数字式转速测量、磁感式车速测量、脉冲式转速传感器速度测量等方法。此类方法需要在测量目标位置上安装测量装置，使用不便，并且测量效率不高。第二类方法是利用图像处理技术来进行水体流动速度的测量。此类方法在光线不好的环境下不能正常工作，同时它只能测量表面流速。第三类方法是利用声波的多普勒效应进行速度测量，它向水下发射特定频率的声波，通过测定接收到的声波频率变化来计算水体流动的速度，其中最经典的装置就是声学多普勒海流剖面仪(ADCP)。四波束正交配置的ADCP向水下4个不同方向发射声波，根据接收回来的声波频率变化测得某一深度的水流速度。
但是现有超声波测量水流速度多是在固定位置测量，测量结果较为单一，若是管道内壁和外壁出现不同程度的锈蚀，或管道材质疏，导致超声波信号在穿过管道壁时超声波信号的衰减程度较为严重，且衰减无法预测，影响正常精准测量水流速度的结果，水流可能由于管道内壁出现不同程度的磨损和锈蚀情况影响流速，但是水流在多处位置的速度出现差异的情况，导致水流速度检测结果受到影响，因此需要一种实时测量水流三维速度的超声方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种实时测量水流三维速度的超声方法，本发明所要解决的技术问题是：现有超声波测量水流速度多是在固定位置测量，测量结果较为单一，若是管道内壁和外壁出现不同程度的锈蚀，或管道材质疏，导致超声波信号在穿过管道壁时超声波信号的衰减程度较为严重，且衰减无法预测，影响正常精准测量水流速度的结果，水流可能由于管道内壁出现不同程度的磨损和锈蚀情况影响流速，但是水流在多处位置的速度出现差异的情况，导致水流速度检测结果受到影响的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种实时测量水流三维速度的超声方法，基于超声波测速技术，通过控制测量探头在管壁外侧进行轴向移动和周向转动，实现超声波对管道内部水流速度多处位置和多种角度的检测，以得到管道内部不同位置的水流速度和同一位置不同角度测量得到的水流速度，最终通过将同一位置相同角度的速度进行矢量合成得到水流速度的三维矢量值，并将同一位置不同角度的水流速度的三维矢量值处理得到单一平均值，随后将多个位置的水流速度平均值处理得到整体平均值，然后即可得到水流测速的结果，包括以下步骤：
步骤一、根据测量管道的直径和壁厚选择合适参数的测量探头，将测量探头与数字化超声仪器连接，将测量探头置于管道外壁，测量探头由四个探头组成，一个发射探头，三个接收探头，且发射探头居中放置，三个接收探头环绕在发射探头周围；
步骤二、发射探头直接发射超声波，超声波形是一种特殊的多频脉冲，多频脉冲由多种频率的超声脉冲信号排列组合而形成；
步骤三、三个接收探头同时接收发射探头发射的超声波，得到三路回波信号，使用数字化超声仪器同时接收三路回波信号；
步骤四、将回波信号与发射信号进行鉴别对比，通过找出特定复合频率的超声信号变化情况，计算出每一路接收信号的频率偏移值，根据每一路信号的频率偏移值，换算出每一路信号代表的水流速度，其计算公式如下：
其中f0为发射探头发射超声波的发射频率，f1为接收探头接收的超声波频率，v为管道内部水流速度，L为超声波在流体中的传播距离，fd为超声波发射频率与超声波接收频率的差值；
步骤五、使用速度矢量合成算法，将三路信号的速度合成一个实际的水流三维矢量值，得到三维水流速度测量结果；
步骤六、控制测量探头沿周向在管壁外侧转动一周，在测量探头转动过程中每隔六十度停止一次，然后测量探头对此位置的水流速度进行测量，测量探头转动完一周后，测量得到六组测量数据，测量数据重复上述计算方式得到六组同一测量位置的水流速度测量结果，v、v1、v2、v3、v4、v5，根据上述测量结果处理得到单一平均值，其计算公式如下：
其中vd为同一位置的水流速度单一平均值；
步骤七、控制测量探头沿轴向移动，在测量探头移动过程中每移动十厘米停顿一次，然后重复步骤六中的过程得到一个水流速度的单一平均值，测量探头移动过程共停顿六次，测量得到六组数据，然后重复步骤六中的计算公式即可得到最终的整体平均值，整体平均值即水流测速的结果。
作为本发明的进一步方案：所述步骤七中，测量探头每次轴向移动时，测量探头的初始位置保持相同。
作为本发明的进一步方案：所述测量探头中的三个接收探头呈等距均匀环绕设置在发射探头周围。
作为本发明的进一步方案：数字化超声仪器采用数字电路电源作为超声信号采样处理电路板上各功能电路的供电来源，其设计的复杂度在于数字电路***的功能众多，元器件工作电压数值要求不一，各部分电路功耗也需要全面考虑。另外，超声信号采样处理电路板具备高速AD转换电路和DA转换电路，因此电路板实际上属于数字模拟混合电路板，其中高速AD转换电路的性能决定了数字化超声仪器整机测量性能的优劣，其电源供电必须进行精心的设计，因此数字电路电源的设计相对超声电路电源要复杂。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过采用测量探头，测量探头为三个接收探头环绕在发射探头周围，发射探头发射多频脉冲后，经三个接收探头接收到超声波，数字化超声仪器对三路回波信号与发射的超声信号进行鉴别对比，并根据超声波信号频率的偏移值，得出每一路信号的水流速度，最后控制测量探头在管道外壁进行轴向移动和周向转动，可实现对一段管道内部进行多位置和多角度的速度测量，最后得出一段管道内部测量的水流速度平均值，避免管道单一位置出现锈蚀或管道材质疏影响超声波衰减造成检测结果的误差较大，多角度和多个位置采集的多组数据，可较为精准客观的判断水流速度，使检测结果更加客观稳定；
2、本发明通过采用三个接收探头采集三路回波信号，可实现同一检测采集过程中得到三个路检测数据，然后通过速度矢量合成算法计算该位置的水流速度，且数字化超声仪器通过以太网收发器电路实现与外部控制终端之间的数据连接，可保证检测数据的快速传递至外部计算机处，检测数据的快速处理且方便工作人员及时的观察检测结果；
3、本发明通过采用频差法实现对水流速度进行测量，温度对声音在水中的传播速度有较大影响，采用频差法无需引入声音在水中的传播速度，因此不同温度下的水流速度对频差法的影响较小，使本发明可适用于多种温度下的水流速度检测，且在一定程度上保证其检测结果的精度。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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：一种实时测量水流三维速度的超声方法，基于超声波测速技术，通过控制测量探头在管壁外侧进行轴向移动和周向转动，实现超声波对管道内部水流速度多处位置和多种角度的检测，以得到管道内部不同位置的水流速度和同一位置不同角度测量得到的水流速度，最终通过将同一位置相同角度的速度进行矢量合成得到水流速度的三维矢量值，并将同一位置不同角度的水流速度的三维矢量值处理得到单一平均值，随后将多个位置的水流速度平均值处理得到整体平均值，然后即可得到水流测速的结果，包括以下步骤：
步骤一、根据测量管道的直径和壁厚选择合适参数的测量探头，将测量探头与数字化超声仪器连接，将测量探头置于管道外壁，测量探头由四个探头组成，一个发射探头，三个接收探头，且发射探头居中放置，三个接收探头环绕在发射探头周围；
步骤二、发射探头直接发射超声波，超声波形是一种特殊的多频脉冲，多频脉冲由多种频率的超声脉冲信号排列组合而形成；
步骤三、三个接收探头同时接收发射探头发射的超声波，得到三路回波信号，使用数字化超声仪器同时接收三路回波信号；
步骤四、将回波信号与发射信号进行鉴别对比，通过找出特定复合频率的超声信号变化情况，计算出每一路接收信号的频率偏移值，根据每一路信号的频率偏移值，换算出每一路信号代表的水流速度，其计算公式如下：
其中f0为发射探头发射超声波的发射频率，f1为接收探头接收的超声波频率，v为管道内部水流速度，L为超声波在流体中的传播距离，fd为超声波发射频率与超声波接收频率的差值；
步骤五、使用速度矢量合成算法，将三路信号的速度合成一个实际的水流三维矢量值，得到三维水流速度测量结果；
步骤六、控制测量探头沿周向在管壁外侧转动一周，在测量探头转动过程中每隔六十度停止一次，然后测量探头对此位置的水流速度进行测量，测量探头转动完一周后，测量得到六组测量数据，测量数据重复上述计算方式得到六组同一测量位置的水流速度测量结果，v、v1、v2、v3、v4、v5，根据上述测量结果处理得到单一平均值，其计算公式如下：
其中vd为同一位置的水流速度单一平均值；
步骤七、控制测量探头沿轴向移动，在测量探头移动过程中每移动十厘米停顿一次，然后重复步骤六中的过程得到一个水流速度的单一平均值，测量探头移动过程共停顿六次，测量得到六组数据，然后重复步骤六中的计算公式即可得到最终的整体平均值，整体平均值即水流测速的结果。
超声波发生过程采用超声激励信号发生电路接收波形信号源输入的发射波形信息，利用功率放大电路将超声功率电源的能量转换成高压功率波形信号，输出至超声波发射探头，使超声波发射探头产生波形信号源指定的信号脉冲，且超声波发射探头采用超声激励电路高压电源，超声激励电路高压电源用于产生超声激励信号发生电路所需要的高压功率电源，其设计同样要求小体积，高集成度，尤其在主要元器件的高度尺寸方面，需要严格控制，以便有效降低超声信号发射接收和放大电路板的整板厚度，便于控制数字化超声仪器整机的尺寸。
超声回波信号放大电路是超声信号发射接收和放大电路板的核心设计部分，提供了超声回波信号的低噪声、宽带、可控高增益放大功能。
数字化超声仪器的主体设计为4路并行超声信号同时实时检测的形式，因此超声回波信号放大电路也设计成并行4路独立放大的形式，由于采用了两级放大电路的设计构型，每一路超声回波信号放大电路所需的布局布线面积都很小，仅为约33mm×27mm，满足了数字化超声仪器设计小型化的要求。
步骤七中，测量探头每次轴向移动时，测量探头的初始位置保持相同。
测量探头中的三个接收探头呈等距均匀环绕设置在发射探头周围。
数字化超声仪器采用数字电路电源作为超声信号采样处理电路板上各功能电路的供电来源，其设计的复杂度在于数字电路***的功能众多，元器件工作电压数值要求不一，各部分电路功耗也需要全面考虑。另外，超声信号采样处理电路板具备高速AD转换电路和DA转换电路，因此电路板实际上属于数字模拟混合电路板，其中高速AD转换电路的性能决定了数字化超声仪器整机测量性能的优劣，其电源供电必须进行精心的设计，因此数字电路电源的设计相对超声电路电源要复杂。
综上，本发明中：
本发明通过采用测量探头，测量探头为三个接收探头环绕在发射探头周围，发射探头发射多频脉冲后，经三个接收探头接收到超声波，数字化超声仪器对三路回波信号与发射的超声信号进行鉴别对比，并根据超声波信号频率的偏移值，得出每一路信号的水流速度，最后控制测量探头在管道外壁进行轴向移动和周向转动，可实现对一段管道内部进行多位置和多角度的速度测量，最后得出一段管道内部测量的水流速度平均值，避免管道单一位置出现锈蚀或管道材质疏影响超声波衰减造成检测结果的误差较大，多角度和多个位置采集的多组数据，可较为精准客观的判断水流速度，使检测结果更加客观稳定。
本发明通过采用三个接收探头采集三路回波信号，可实现同一检测采集过程中得到三个路检测数据，然后通过速度矢量合成算法计算该位置的水流速度，且数字化超声仪器通过以太网收发器电路实现与外部控制终端之间的数据连接，可保证检测数据的快速传递至外部计算机处，检测数据的快速处理且方便工作人员及时的观察检测结果。
本发明通过采用频差法实现对水流速度进行测量，温度对声音在水中的传播速度有较大影响，采用频差法无需引入声音在水中的传播速度，因此不同温度下的水流速度对频差法的影响较小，使本发明可适用于多种温度下的水流速度检测，且在一定程度上保证其检测结果的精度。
最后应说明的几点是：虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明的基础上，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (4)
1.一种实时测量水流三维速度的超声方法，其特征在于，基于超声波测速技术，通过控制测量探头在管壁外侧进行轴向移动和周向转动，实现超声波对管道内部水流速度多处位置和多种角度的检测，以得到管道内部不同位置的水流速度和同一位置不同角度测量得到的水流速度，最终通过将同一位置相同角度的速度进行矢量合成得到水流速度的三维矢量值，并将同一位置不同角度的水流速度的三维矢量值处理得到单一平均值，随后将多个位置的水流速度平均值处理得到整体平均值，然后即可得到水流测速的结果，包括以下步骤：
步骤一、根据测量管道的直径和壁厚选择合适参数的测量探头，将测量探头与数字化超声仪器连接，将测量探头置于管道外壁，测量探头由四个探头组成，一个发射探头，三个接收探头，且发射探头居中放置，三个接收探头环绕在发射探头周围；
步骤二、发射探头直接发射超声波，超声波形是一种特殊的多频脉冲，多频脉冲由多种频率的超声脉冲信号排列组合而形成；
步骤三、三个接收探头同时接收发射探头发射的超声波，得到三路回波信号，使用数字化超声仪器同时接收三路回波信号；
步骤四、将回波信号与发射信号进行鉴别对比，通过找出特定复合频率的超声信号变化情况，计算出每一路接收信号的频率偏移值，根据每一路信号的频率偏移值，换算出每一路信号代表的水流速度，其计算公式如下：
fd＝f1-fo,
其中f0为发射探头发射超声波的发射频率，f1为接收探头接收的超声波频率，v为管道内部水流速度，L为超声波在流体中的传播距离，fd为超声波发射频率与超声波接收频率的差值；
步骤五、使用速度矢量合成算法，将三路信号的速度合成一个实际的水流三维矢量值，得到三维水流速度测量结果；
步骤六、控制测量探头沿周向在管壁外侧转动一周，在测量探头转动过程中每隔六十度停止一次，然后测量探头对此位置的水流速度进行测量，测量探头转动完一周后，测量得到六组测量数据，测量数据重复上述计算方式得到六组同一测量位置的水流速度测量结果，v、v1、v2、v3、v4、v5，根据上述测量结果处理得到单一平均值，其计算公式如下：
其中vd为同一位置的水流速度单一平均值；
步骤七、控制测量探头沿轴向移动，在测量探头移动过程中每移动十厘米停顿一次，然后重复步骤六中的过程得到一个水流速度的单一平均值，测量探头移动过程共停顿六次，测量得到六组数据，然后重复步骤六中的计算公式即可得到最终的整体平均值，整体平均值即水流测速的结果。
2.根据权利要求1所述的一种实时测量水流三维速度的超声方法，其特征在于：所述步骤七中，测量探头每次轴向移动时，测量探头的初始位置保持相同。
3.根据权利要求1所述的一种实时测量水流三维速度的超声方法，其特征在于：所述测量探头中的三个接收探头呈等距均匀环绕设置在发射探头周围。
4.根据权利要求1所述的一种实时测量水流三维速度的超声方法，其特征在于：数字化超声仪器采用数字电路电源作为超声信号采样处理电路板上各功能电路的供电来源。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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