CN113340363A - 一种高精度宽量程的超声流量测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高精度宽量程的超声流量测量装置及测量方法。该测量装置包括两个超声波换能器、两个超声波反射片、开关切换电路、信号调理电路、功率放大电路、计时电路、ADC信号采集电路和微控制器。微控制器作为整个装置的控制中心，采用集成度高的MSP430FR6047作为核心电路。本发明利用超声时差法原理，提出了一种含参数T_D的超声波时差法流量测量新模型。该模型具有测量精度高、量程宽的优点，测量准确度等级达到0.5级，量程比大于200：1，这为实现两相流参数检测提供了一种新的思路。

Description

一种高精度宽量程的超声流量测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及两相流检测技术领域，具体地说是一种高精度宽量程的超声流量测量装置及测量方法。

背景技术

目前，在两相流检测技术领域，通过超声波进行测量的方法有传播速度差法、多普勒法、相关法、波束偏移法和噪声法等。

传播速度差法是基于超声波在顺逆流传播时所产生的速度差而实现流量测量。传播速度差法包括时差法、频差法和相位法，三者分别基于顺逆流的超声波时间差、频率差和相位差实现流量测量。频率差法电路性能不稳定，相位差法易受温度的影响，时间差法精度较高且应用比较广泛。

多普勒法是依据声学的多普勒效应实现流速测量。当超声波遇到流体内的杂质或者气泡时，会产生多普勒频移，其频移的大小和流体的流速有关。

相关法是利用相关性原理实现流体流速测量。在管道上相距一定距离处布置性能完全一样的两对超声波换能器。当流体流动时，两超声波发射换能器同时发射相同的超声波信号，超声波信号流经流体后被两接收换能器接收。流速不同，两个信号的相关程度就不同。根据信号的相关性，便可解析出流速。

波束偏移法是利用超声波偏移角度实现流速测量。其中超声波换能器为发射换能器和接收换能器。当流体静止时，两个超声波换能器接收信号的强度一致；当流体运动时，超声波的传播方向会随着流速变化而变化，其中超声波的偏移角度可由两换能器的信号强度差得出。

噪声法是利用流体流动过程中产生的噪声大小进行流速测量。因为超声波是一种机械波，当在流体中传播时，可以携带流体流动所产生的噪声，通过检测接收信号，就可以解出噪声大小，进而确定流速。

目前，Murakawa Hideki将改进的超声波流量计用于蒸汽流量的测量，根据超声波流量计标准偏差的变化，识别蒸汽的不同流动状态；Nishiguchi Hiroshi用外夹式超声波流量计对低压城市燃气管道的气体流量进行测量，给低压燃气监控的超声波流量计的开发提供了参考；Chen Yong将超声波流量计用于航空航天领域，超声波流量计的线性度符合航空航天领域的典型要求；Peng Shanbi将超声波流量计用于汽油机的流量测量，验证汽油发电机的可行性；Nauber Richard将超声波多普勒流量计用于工业流程中的干燥水性泡沫研究，验证了超声波流量计在三维泡沫流动测量领域的优越性；尚国秀将超声波流量计应用于矩形渠道，取得了很好的效果；Gersl J用超声波流量计对烟囱中流体进行测量，探究超声波流量计在烟囱流量测量领域应用的可能性；Wang Chuangnan将超声波换能器的材料换为不锈钢，推动了超声波流量计在高温环境中的应用。

但是，上述无论是国内的还是国外的超声波水表其在精度和量程上不能兼顾，尤其是国内的超声波水表，检测精度较低。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高精度宽量程的超声流量测量装置及测量方法，以解决现有超声波水表在精度和量程上不能兼顾的问题。

本发明是这样实现的：一种高精度宽量程的超声流量测量装置，包括设置在管道上的两个超声波换能器，在管道内设有两个与超声波换能器一一对应的超声波反射片，两个超声波反射片用于反射其中一个超声波换能器发射的信号给另一个超声波换能器；两个超声波换能器通过开关切换电路与信号调理电路和功率放大电路相接，所述开关切换电路用于实现超声波换能器的地连接、断开和切换；所述信号调理电路用于通过开关切换电路接收超声波换能器所测信号，并对所接收的信号进行滤波和放大处理，使得信号能够被计时电路和ADC信号采集电路采集；计时电路用于对两个超声波换能器所接收到的超声波信号顺逆流传播时间差进行计算；计时电路和ADC信号采集电路分别接收信号调理电路输出的信号并与微控制器之间实现通信；微控制器根据所接收的信号对超声流量进行测量；计时电路还与功率放大电路相接，所述功率放大电路用于对由计时电路产生的脉冲信号进行放大，使信号激发超声波换能器，从而实现超声波的发射。

所述微控制器包括MSP430FR6047芯片。

一种高精度宽量程的超声流量测量方法，包括如下步骤：

a、在管道外侧壁上沿流体流动方向依序设置第一超声波换能器和第二超声波换能器，在管道内中心轴线上与两个超声波换能器对应的地方各设置一个超声波反射片，以保证由其中一个超声波换能器发射的超声波信号经两个超声波反射片反射后能够被另一个超声波换能器所接收；

b、信号调理电路采集两个超声波换能器所测信号并进行滤波和放大处理，之后发送至计时电路和ADC信号采集电路；

c、计时电路根据信号调理电路输出的信号计算两个超声波换能器所接收到的超声波信号顺逆流传播时间差ΔT，并把计算结果发送至微控制器；

d、微控制器一方面接收计时电路发送的信号，另一方面接收ADC信号采集电路发送的信号，并根据如下公式计算流体流量：

式中，D为管道内径，k为线面补偿系数，L为两个超声波换能器之间的距离，T_D1为第二超声波换能器接收到超声波信号顺流传播的时间，T_D2为第一超声波换能器接收到超声波信号逆流传播的时间；

ΔT＝T_D2-T_D1

其中，c为超声波声速，v为流体的流速。

两个超声波换能器之间的距离与管道内径相等。

本发明为实现高精度(准确度等级达到0.5级)和宽量程(量程比大于200：1)的水流量测量设计要求，研发了一款高精度宽量程智能超声波流量计。该流量计以信号调理电路对超声波换能器所测超声波波形信号进行动态阈值处理(或称滤波处理)，能够有效提高基于超声波顺逆流渡越时间的测量精度。除此之外，新的模型以及新的计算方法，也是提高测量精度的关键所在。

附图说明

图1是本发明中超声波换能器以及超声波反射片的结构示意图。

图2是本发明的电路结构框图。

具体实施方式

本发明基于超声波流量计的测量原理，针对U型超声波基管，提出了一种含参数T_D的超声波时差法流量测量新模型。为实现高精度的设计目标，依据误差理论，探究模型中的各个参数对流量测量准确度的影响程度，确定了流量测量误差主要来源于线面补偿系数、顺逆流渡越时间和顺逆流的时间差三个方面。并对线面补偿系数理论进行研究，确定了理想情况下的补偿系数大小。实际的线面补偿系数受现场流体环境影响，但可以根据多次测量多个点的值取平均值得到一个可以确定的k。线面补偿系数的测量偏差会对流量产生同等的正偏差。顺逆流渡越时间的测量偏差会对流量产生同等的负偏差。根据雷诺数的大小判断流体的运动状态。再根据流体的运动状态，采取不同的线面补偿系数，最大程度上减小由线面补偿系数带来的误差。对于超声波顺逆流渡越时间和时间差的计算都存在随机误差，单纯地采用多次测量求平均值的方法，一定程度上可以减小测量误差。本发明通过对波形进行采集，基于波形做动态阈值处理，对于超声波顺逆流渡越时间的测量精度的提高具有积极意义。本发明致力于一种高精度宽量程的超声流量测量装置及测量方法，为实现两相流参数检测提供了一种可能性。

具体地，本发明根据时差法模型，推导出了含参数T_D的超声波时差法流量测量新模型。研究了各参数对流量的影响程度，相应地提出了超声波时差法测试***流量测量精度提高的措施，着重对两种滤波算法进行了实验分析。在信号调理电路中，用MAD和PauTa两种算法对顺逆流时间差数据进行滤波处理，选取工况点对测试***的时差法结果进行探究，设计了高精度宽量程智能超声波流量计。对硬件的设计方案进行选型，从成本、精度和鲁棒性三个方面考虑，确定了数字信号处理的硬件设计方案。并以集成度高的MSP430FR6047作为核心电路，功能电路选用了窄带物联网ME3616模块，实现了超声波流量计的数据远传，为远程抄表、云平台管理和设备计量编码提供了条件，提高了超声波流量计的智能化水平。并进行相应的软件编程。在算法研究方面，提出了基于波形定位的顺逆流渡越时间法和互相关时间差算法。

超声波时差法流量计的流量测量是基于速度差原理。如图1所示，A和B为收发一体式超声波换能器，能够实现超声波的发射和接收。基管中轴线对应位置上，有一对超声波反射片，可以实现超声波的反射。顺流时，超声波换能器A发射超声波，超声波经反射片反射后，被超声波换能器B接收，此时的超声波渡越时间为顺流的传播时间，记为T_D1。逆流时，超声波换能器B发射超声波，超声波经反射片反射后，被超声波换能器A接收，此时的超声波渡越时间为逆流的传播时间，记为T_D2。

超声波基表管路的流量模型有两种，一种是只含时间差的理论模型，另一种是含两顺逆流渡越时间和时间差三个参数的理论模型。如下：

模型一：渡越时间和时间差模型忽略超声波的径向传播时间，超声波的顺流传播时间T_D1：

式中：

L——超声波换能器A与超声波换能器B之间的距离，mm；

c——超声波声速，m/s；

v——流体的流速，m/s；

上面式子变形为：

超声波的逆流传播时间T_D2：

式子变形：

将式(2)与式(4)相减可得：

顺逆流传播的时间差ΔT为：

ΔT＝T_D2-T_D1 (6)

则流体流速为：

模型二：时间差模型

超声波的顺流传播时间T_D1：

其中，D——管道直径，mm；

超声波的逆流传播时间T_D2：

顺逆流传播的时间差ΔT为：

因为超声波声速远大于流体流速，故式(10)可简化为：

两种模型得到的都是线速度，结合线面补偿系数k即可求得瞬时体积流量

q_v＝Akv (13)

A——管道的截面面积。

对比两模型，模型一忽略了超声波的径向传播时间，将顺逆流传播的总时间默认为轴向传播时间，使得超声波轴向传播时间大于实际值，因此依据式(7)求得的流速小于流体实际流速。模型二约去了式(10)中流体流速的两次项，模型所求的流速小于实际流体流速。为实现超声波时差法流量测量的高精度要求，本发明基于前人研究的基础上，对模型进行改造，实现流量的高精度测量。模型推导如下：

顺流超声波轴向传播时间t₁为：

式子变形：

逆流超声波轴向传播时间t₂为：

式子变形：

将式(15)与式(17)相减可得：

顺逆流传播的时间差ΔT为：

ΔT＝T_D2-T_D1＝t₂－t₁ (19)

则流体流速为：

结合式(8)和式(14)可知

结合式(9)和式(16)可知：

由于超声波声速受温度影响较大，引入新的参数T_D：

则

则最终的流量为：

本发明利用超声时差法原理，提出了一种含参数T_D的超声波时差法流量测量新模型。从置信概率、离群值的影响、算法循环次数和***内存占用四个角度确定了PauTa准则和MAD算法。从0.02m³/h-4.5m³/h范围内选择13个流量点探究MAD和PauTa两种滤波算法对时间差标准差的影响，最终确定了MAD的滤波算法。运用计时芯片的实现和微控制器的特性设计集成芯片的实现，实现超声波流量计数据的远传的远程抄表功能，利用相关运算可以得到流体的速度，为超声流量的测量提供了一种新的思路。

本发明所提供的高精度宽量程的超声流量测量装置包括：两个超声波换能器，两个超声波反射片、开关切换电路、信号调理电路、功率放大电路、计时电路、ADC信号采集电路和微控制器。

如图1所示，本装置中管道1长度与管道1内径比为3:1，管道1外侧壁上设有超声波换能器A和超声波换能器B，超声波换能器A和超声波换能器B分别位于管道1轴向的1D和2D处，D为管道内径。在超声波换能器A和超声波换能器B的前段各设有一个超声波探头，在超声波换能器A和超声波换能器B外侧还设有二次显示仪表。在管道1内与超声波换能器A和超声波换能器B对应的径向方向上分别设有一个超声波反射片，分别是第一超声波反射片4和第二超声波反射片5，两个超声波反射片均位于管道1内的轴心线上，且两者分别与两个超声波换能器上下对应。两个超声波反射片均以45°角的方向入射以及以45°角的方向出射。在管道1内设置超声波反射片是为了反射超声波信号。

两个超声波换能器处于管道1的同一母线上，两者对称设置，彼此之间不产生相互干扰，避免产生相对误差。超声波换能器A接收到超声波换能器B所发射的超声波信号的传播时间为超声波逆流传播时间T_D2，超声波换能器B接收到超声波换能器A所发射的超声波信号的传播时间为超声波顺流传播时间T_D1。超声波在管道1内沿轴向的顺流传播时间为t₁，t₁＝L/(c+v)；超声波在管道1内沿轴向的逆流传播时间为t₂，t₂＝L/(c-v)。L为两个超声波换能器之间的距离，v为流体流速，c为超声波声速。根据超声波换能器A和超声波换能器B所接收到的超声波逆流传播时间T_D2和超声波顺流传播时间T_D1，结合时间差ΔT＝T_D2-T_D1，依据公式(24)可计算流体的传播速度v，依据公式(25)可计算流体的流量。

当测量超声波流量时，流体流经管道；开关切换电路将超声波换能器测得的电信号输送到信号调理电路，得到超声波信号波形。超声波换能器从开始起振到结束振动，因而超声波信号是纺锥形。超声波信号的第一个周期波是超声波换能器开始起振而激发的信号，信号幅值较低，而第二个周期波幅值较大。以第二周期波定为特征点。超声波波形具有一致性，第二周期波的幅值与最大幅值的比值固定，实验发现，第二个周期波的幅值为波形最高幅值的1/5，以最高波形幅值的1/5为动态阈值，由信号调理电路对超声波信号进行判断。

如图2所示，本发明中电路部分所涉及的硬件部分主要包括开关切换电路、信号调理电路、功率放大电路、计时电路、ADC信号采集电路和微控制器。其中，开关切换电路一方面与两个超声波换能器相接，另一方面与信号调理电路和功率放大电路相接；信号调理电路还与计时电路和ADC信号采集电路相接，功率放大电路还与计时电路和微控制器相接，计时电路与微控制器也相接。开关切换电路用于实现超声波换能器的地连接、断开和切换，为顺逆流超声波的发射和接收提供条件。开关切换电路采用主动式MRI射频开关电路。信号调理电路通过开关切换电路接收超声波换能器所测波形信号，并对所接收的波形信号进行MAD滤波和放大处理，使得信号能够正确且完整地被计时电路以及ADC信号采集电路采集。计时电路根据从信号调理电路处输出的信号，对时间差进行测量。计时电路采用型号为PCF8563的芯片。ADC信号采集电路通过信号调理电路对数字信号进行采集。微控制器的功能是与ADC信号采集电路通信并对整个***进行控制。微控制器采用MSP430FR6047作为核心电路。功率放大电路对由计时电路产生的脉冲信号进行放大，使信号能够激发超声波换能器，从而实现超声波的发射。功率放大电路采用LM1875芯片。

Claims (7)

1.一种高精度宽量程的超声流量测量装置，其特征是，包括设置在管道上的两个超声波换能器，在管道内设有两个与超声波换能器一一对应的超声波反射片，两个超声波反射片用于反射其中一个超声波换能器发射的信号给另一个超声波换能器；两个超声波换能器通过开关切换电路与信号调理电路和功率放大电路相接，所述开关切换电路用于实现超声波换能器的地连接、断开和切换；所述信号调理电路用于通过开关切换电路接收超声波换能器所测信号，并对所接收的信号进行滤波和放大处理，使得信号能够被计时电路和ADC信号采集电路采集；计时电路用于对两个超声波换能器所接收到的超声波信号顺逆流传播时间差进行计算；计时电路和ADC信号采集电路分别接收信号调理电路输出的信号并与微控制器之间实现通信；微控制器根据所接收的信号对超声流量进行测量；计时电路还与功率放大电路相接，所述功率放大电路用于对由计时电路产生的脉冲信号进行放大，使信号激发超声波换能器，从而实现超声波的发射。

2.根据权利要求1所述的高精度宽量程的超声流量测量装置，其特征是，所述微控制器包括MSP430FR6047芯片。

3.根据权利要求1所述的高精度宽量程的超声流量测量装置，其特征是，微控制器根据所接收的信号对超声流量进行测量，具体计算公式如下：

式中，D为管道内径，k为线面补偿系数，L为两个超声波换能器之间的距离，ΔT为两个超声波换能器所接收到的超声波信号顺逆流传播时间差，T_D1为超声波换能器接收到超声波信号顺流传播的时间，T_D2为超声波换能器接收到超声波信号逆流传播的时间；

ΔT＝T_D2-T_D1

其中，c为超声波声速，v为流体的流速。

4.一种高精度宽量程的超声流量测量方法，其特征是，包括如下步骤：

a、在管道外侧壁上沿流体流动方向依序设置第一超声波换能器和第二超声波换能器，在管道内中心轴线上与两个超声波换能器对应的地方各设置一个超声波反射片，以保证由其中一个超声波换能器发射的超声波信号经两个超声波反射片反射后能够被另一个超声波换能器所接收；

b、信号调理电路采集两个超声波换能器所测信号并进行滤波和放大处理，之后发送至计时电路和ADC信号采集电路；

c、计时电路根据信号调理电路输出的信号计算两个超声波换能器所接收到的超声波信号顺逆流传播时间差ΔT，并把计算结果发送至微控制器；

d、微控制器一方面接收计时电路发送的信号，另一方面接收ADC信号采集电路发送的信号，并根据如下公式计算流体流量：

式中，D为管道内径，k为线面补偿系数，L为两个超声波换能器之间的距离，T_D1为第二超声波换能器接收到超声波信号顺流传播的时间，T_D2为第一超声波换能器接收到超声波信号逆流传播的时间；

ΔT＝T_D2-T_D1

其中，c为超声波声速，v为流体的流速。

5.根据权利要求4所述的高精度宽量程的超声流量测量方法，其特征是，步骤b中，信号调理电路通过MAD算法对信号进行滤波。

6.根据权利要求4所述的高精度宽量程的超声流量测量方法，其特征是，两个超声波换能器之间的距离与管道内径相等。

7.根据权利要求4所述的高精度宽量程的超声流量测量方法，其特征是，所述微控制器包括MSP430FR6047芯片。

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