CN114001804B - 一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及*** - Google Patents

一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***，用空气模拟燃气构建管道环境，基于静止空气校准环境计算出一组理论飞行时间，并采集一组实际飞行时间，依据理论飞行时间和实际飞行时间进行标定，间接得到延迟时间，考虑到超声波换能器硬件的制造工艺差异、非线性等因数影响，不需要直接将硬件和超声波传输过程导致的延迟时间准确计算出来，减少计算量和成本，在超声波计量装置使用前先计算出超声波换能器硬件造成的延迟时间差，不仅提高了超声波计量装置的计量精度，而且本方法简单，便于实施，为超声波计量装置后续计算提供精准的数据基础。

Description

一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***
技术领域
本发明涉及流量计校准技术领域，具体涉及一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***。
背景技术
随着燃气计量领域对燃气计量精度的要求越来越高，超声波燃气表正在兴起。超声波燃气表与膜式燃气表相比，具有量程宽、体积小、结构简单、计量精度高、稳定性好等优点；超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度等优势，成为燃气计量领域的研究热点。超声波燃气表计量原理是利用超声波在顺流和逆流方向经历时间不同来估计瞬时流量。在不考虑声速受管道内环境的影响下，平均流速的估计主要受上飞时间和下飞时间的时间差ΔT控制。受限于超声波换能器的性能和硬件成本，ΔT的精确估计不能仅仅依靠提高采样密度至目标粒度。因此，需要在低采样频率下，通过数值计算，完成ΔT的精确估计。
然而在进行上飞时间和下飞时间的测量时，一方面由于超声波换能器硬件的性能和成本，会对上飞时间和下飞时间的计量造成一定的延迟误差；
由于超声波换能器发射是通过压电陶瓷由电转换成机械振动，并通过气体介质进行传播，到达接收端换能器是一个逆过程，即由机械振动(机械能)转换成电能(即接收信号电压)，且由于惯性的影响，超声波的起振是一个从小到大的过程，刚开始的接收信号非常微弱，而且由于各种噪声影响，刚开始信号也会淹没在噪声中，所以为了稳定检测信号的到达时间，我们会延迟一段时间，比如最大包络幅值的15％处的到达时间作为接收信号的到达时间。由此引入了一个固定时间偏置Toffset,目前固定时间偏置Toffset的基本上采用估算方法确定，固定时间偏置Toffset的确定进一步影响了流量计的计量精度。如果能够精准的测量出这个固定偏置，并在实际的测量中对这个固定偏置进行补偿消除，就可以提高流量计量精度。
因此需要一种校准方法对上述误差进行弥补。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在进行上飞时间和下飞时间的测量时，由于超声波换能器的传输特性，上飞时间和下飞时间、固定时间偏置Toffset等参数的确定都会影响流量计的计量精度；本发明目的在于提供一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***，以解决上述技术问题。
本发明通过下述技术方案实现：
本方案提供一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法，包括步骤：
步骤一：使待校准超声波计量装置在静止空气校准环境中启动；
步骤二：采集静止空气校准环境的环境参数和超声波在静止空气校准环境的实际飞行时间ts；
步骤三：根据环境参数计算超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf，
步骤四：基于环境参数和传播速度Cf根据时间差法模型计算出超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl；
步骤五：基于超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl和实际飞行时间ts对超声波计量装置进行校准。
本方案工作原理：时间差法的流量计中超声波穿过流体的时间是计量过程的重要参数，现有的流量计校准过程中，往往忽略了由于超声波换能器的传输特性，上飞时间和下飞时间、固定时间偏置Toffset等参数的确定对流量计计量精度的影响，由于超声波换能器发射是通过压电陶瓷由电转换成机械振动，并通过气体介质进行传播，到达接收端换能器是一个逆过程，即由机械振动(机械能)转换成电能(即接收信号电压)，且由于惯性的影响，超声波的起振是一个从小到大的过程，刚开始的接收信号非常微弱，而且由于各种噪声影响，刚开始信号也会淹没在噪声中，所以为了稳定检测信号的到达时间，我们会延迟一段时间，比如最大包络幅值的15％处的到达时间作为接收信号的到达时间。由此引入了一个固定时间偏置Toffset,目前固定时间偏置Toffset的基本上采用估算方法确定，固定时间偏置Toffset的确定进一步影响了流量计的计量精度，即估算出的飞行时间包含超声波实际飞行时间和延迟时间，而延迟时间主要是确定上飞时间和下飞时间、固定时间偏置Toffset过程造成的；
本方案提供一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***，用空气模拟燃气构建管道环境，基于静止空气校准环境计算出一组理论飞行时间，并采集一组实际飞行时间，依据理论飞行时间和实际飞行时间进行标定，间接得到由于确定上飞时间和下飞时间、固定时间偏置Toffset等参数时造成的延迟时间，考虑到超声波换能器硬件的制造工艺差异、非线性等因数影响，也不需要直接将硬件导致的延迟时间准确计算出来，减少计算量和成本，在超声波计量装置使用前先计算出超声波换能器硬件造成的延迟时间差，不仅提高了超声波计量装置的计量精度，而且本方法简单，便于实施，为超声波计量装置后续计算提供精准的数据基础。
往往忽略了流量计换能器等硬件的起振延迟等因素造成的超声波飞行时间误差，
现有技术中进行流量计校准时，可以在空气中进行校准可以在实气中校准，在实气中校准还存在一定的安全隐患，还要对废气收集过滤等操作，校准过程复杂；本方案在空气中校准，不仅面操作方便安全，还环保节能。
进一步优化方案为，所述静止空气校准环境为室温下的密闭管道内，所述管道的内腔充满空气，管道内腔的截面为圆形或矩形。
进一步优化方案为，所述静止空气校准环境的环境参数包括：静止空气比热比、静止空气压力和静止空气密度。
进一步优化方案为，超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf计算方法为：
根据式计算出传播速度Cf；
式中γ为静止空气比热比，P为静止空气压力，ρ为静止空气密度。
进一步优化方案为，所述时间差法模型为：
式中：tup为超声波在管道中的上飞行时间，tdown为超声波在管道中的下飞行时间；L为超声波的声道长度，为超声波的声道角；Vm为管道中流体的平均速度，静止空气中Vm＝0。
当静止空气中Vm＝0时，计算飞行时间的过程中，管道中流体的流速就被抵消，不参与计算，不会对飞行时间造成影响，有效提高校准精度。
标定过程中使用超声波计量装置的实际使用原理，与实际使用过程更符合，静止空气中Vm＝0，使得计算飞行时间的过程中，管道中流体的流速就被抵消，不参与计算，不会对飞行时间造成影响，有效提高校准精度。
进一步优化方案为，步骤五的具体方法包括：
首先计算理论飞行时间tl和实际飞行时间ts的差值δt；
再将δt补偿进超声波计量装置的计量中。
本方案还提供一种基于时间差法超声波计量装置的校准***，基于上述的基于时间差法超声波计量装置的校准方法构建，包括：启动模块、采集模块、第一计算模块、第二计算模块和校准模块；
所述启动模块用于使待校准超声波计量装置在静止空气校准环境中启动；
所述采集模块用于采集静止空气校准环境的环境参数和超声波在静止空气校准环境的实际飞行时间ts；
所述第一计算模块用于根据环境参数计算超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf，
所述第二计算模块用于基于环境参数和传播速度Cf根据时间差法模型计算出超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl；
所述校准模块用于基于超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl和实际飞行时间ts对超声波计量装置进行校准。
进一步优化方案为，所述静止空气校准环境为室温下的密闭管道内，所述管道的内腔充满空气，管道内腔的截面为圆形或矩形。
进一步优化方案为，所述静采集模块包括：比热比采集单元、压力采集单元、密度采集单元和飞行时间采集单元；
所述比热比采集单元用于采集静止空气校准环境中静止空气的比热比；
压力采集单元用于采集静止空气校准环境中静止空气的压力；
密度采集单元用于采集静止空气校准环境中静止空气的密度。
进一步优化方案为，超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf计算方法为：
根据式计算出Cf；
式中γ为静止空气比热比，P为静止空气压力，ρ为静止空气密度。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法及***，用空气模拟燃气构建管道环境，基于静止空气校准环境计算出一组理论飞行时间，并采集一组实际飞行时间，依据理论飞行时间和实际飞行时间进行标定，间接得到延迟时间，考虑到超声波换能器硬件的制造工艺差异、非线性等因数影响，不需要直接将硬件和超声波传输过程导致的延迟时间准确计算出来，减少计算量和成本，在超声波计量装置使用前先计算出超声波换能器硬件造成的延迟时间差，不仅提高了超声波计量装置的计量精度，而且本方法简单，便于实施，为超声波计量装置后续计算提供精准的数据基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为基于时间差法超声波计量装置的校准方法流程示意图；
图2为基于时间差法超声波计量装置的计量原理图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-发射端换能器，2-接收端换能器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图2所示，本实施例提供一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法，包括步骤：
步骤一：使待校准超声波计量装置在静止空气校准环境中启动；
步骤二：采集静止空气校准环境的环境参数和超声波在静止空气校准环境的实际飞行时间ts；
步骤三：根据环境参数计算超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf，
步骤四：基于环境参数和传播速度Cf根据时间差法模型计算出超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl；
步骤五：基于超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl和实际飞行时间ts对超声波计量装置进行校准。
所述静止空气校准环境为室温下的密闭管道内，所述管道的内腔充满空气，管道内腔的截面为圆形或矩形。
所述静止空气校准环境的环境参数包括：静止空气比热比、静止空气压力和静止空气密度。
超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf计算方法为：
根据式计算出传播速度Cf；
式中γ为静止空气比热比，P为静止空气压力，ρ为静止空气密度。
基于时间差法超声波计量装置的计量原理如图2所示，超声波从发射端换能器1发出穿过流体介质后被接收端换能器2接收，超声波从发射端换能器1发出到被接收端换能器2接收这段时间即为超声波的下飞行时间tdown，相应的从接收端换能器2发出的超声波穿过介质到达发射端换能器1的时间为下飞行时间tup。
时间差法模型为：
式中：tup为超声波在管道中的上飞行时间，tdown为超声波在管道中的下飞行时间；L为超声波的声道长度，为超声波的声道角；Vm为管道中流体的平均速度，静止空气中Vm＝0。
步骤五的具体方法包括：
首先计算理论飞行时间tl和实际飞行时间ts的差值δt；
再将δt补偿进超声波计量装置的计量中。
实施例2
基于上一实施例的校准方法构建，本实施例提供一种基于时间差法超声波计量装置的校准***，包括：启动模块、采集模块、第一计算模块、第二计算模块和校准模块；
启动模块用于使待校准超声波计量装置在静止空气校准环境中启动；
采集模块用于采集静止空气校准环境的环境参数和超声波在静止空气校准环境的实际飞行时间ts；
第一计算模块用于根据环境参数计算超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf，
第二计算模块用于基于环境参数和传播速度Cf根据时间差法模型计算出超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl；
校准模块用于基于超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl和实际飞行时间ts对超声波计量装置进行校准。
静止空气校准环境为室温下的密闭管道内，所述管道的内腔充满空气，管道内腔的截面为圆形或矩形。
静采集模块包括：比热比采集单元、压力采集单元、密度采集单元和飞行时间采集单元；
比热比采集单元用于采集静止空气校准环境中静止空气的比热比；
压力采集单元用于采集静止空气校准环境中静止空气的压力；
密度采集单元用于采集静止空气校准环境中静止空气的密度。
超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf计算方法为：
根据式计算出Cf；
式中γ为静止空气比热比，P为静止空气压力，ρ为静止空气密度。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法，其特征在于，包括步骤：
步骤一：使待校准超声波计量装置在静止空气校准环境中启动；
步骤二：采集静止空气校准环境的环境参数和超声波在静止空气校准环境的实际飞行时间ts；
步骤三：根据环境参数计算超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf，
步骤四：基于环境参数和传播速度Cf根据时间差法模型计算出超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl；
步骤五：基于超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl和实际飞行时间ts对超声波计量装置进行校准；
超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf计算方法为：
根据式计算出传播速度Cf；
式中γ为静止空气比热比，P为静止空气压力，ρ为静止空气密度；
所述时间差法模型为：
式中：tup为超声波在管道中的上飞行时间，tdown为超声波在管道中的下飞行时间；L为超声波的声道长度，为超声波的声道角；Vm为管道中流体的平均速度，静止空气中Vm＝0。
2.根据权利要求1所述的一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法，其特征在于，所述静止空气校准环境为室温下的密闭管道内，所述管道的内腔充满空气，管道内腔的截面为圆形或矩形。
3.根据权利要求1所述的一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法，其特征在于，所述静止空气校准环境的环境参数包括：静止空气比热比、静止空气压力和静止空气密度。
4.根据权利要求1所述的一种基于时间差法超声波计量装置的校准方法，其特征在于，步骤五的具体方法包括：
首先计算理论飞行时间tl和实际飞行时间ts的差值δt；
再将δt补偿进超声波计量装置的计量中。
5.一种基于时间差法超声波计量装置的校准***，其特征在于，基于权利要求1-4任意一项所述的基于时间差法超声波计量装置的校准方法，包括：启动模块、采集模块、第一计算模块、第二计算模块和校准模块；
所述启动模块用于使待校准超声波计量装置在静止空气校准环境中启动；
所述采集模块用于采集静止空气校准环境的环境参数和超声波在静止空气校准环境的实际飞行时间ts；
所述第一计算模块用于根据环境参数计算超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf，
所述第二计算模块用于基于环境参数和传播速度Cf根据时间差法模型计算出超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl；
所述校准模块用于基于超声波在静止空气校准环境的理论飞行时间tl和实际飞行时间ts对超声波计量装置进行校准。
6.根据权利要求5所述的一种基于时间差法超声波计量装置的校准***，其特征在于，所述静止空气校准环境为室温下的密闭管道内，所述管道的内腔充满空气，管道内腔的截面为圆形或矩形。
7.根据权利要求5所述的一种基于时间差法超声波计量装置的校准***，其特征在于，所述采集模块包括：比热比采集单元、压力采集单元、密度采集单元和飞行时间采集单元；
所述比热比采集单元用于采集静止空气校准环境中静止空气的比热比；
压力采集单元用于采集静止空气校准环境中静止空气的压力；
密度采集单元用于采集静止空气校准环境中静止空气的密度。
8.根据权利要求5所述的一种基于时间差法超声波计量装置的校准***，其特征在于，超声波在静止空气校准环境中的传播速度Cf计算方法为：
根据式计算出Cf；
式中γ为静止空气比热比，P为静止空气压力，ρ为静止空气密度。
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