一种超声波气体流量计及其流量测量方法与流程

本发明属于超声波测量技术领域，涉及超声波测量设备，尤其是一种超声波气体流量计及其流量测量方法。

背景技术：

天然气属于不可再生能源，在天然气能源行业中，体积流量的高精度测量，对节约能源，安全生产，降低成本是非常重要的，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气田生产现场中。

通常，气田生产中，被测流体非常复杂，是多种特性物质的混合，利用超声波气体流量计对复杂流体的流量进行高精度测量尤为重要，超声波气体流量计的关键技术是超声波换能器的性能、微弱并含噪超声波回波信号的调理、以及超声波回波信号到达时间的确定，针对超声波气体流量计的设计，上述三个方面是保证超声波气体流量计能够精确测量的关键。

目前，国内超声波流量计产品较多，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。因此，设计一种稳定且精度高的超声波气体流量计，具有重要的实际应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超声波气体流量计及其流量测量方法，其能够减少测量误差，具有测量精度高和稳定性优的特点，在气田生产过程中，能够可靠、稳定、准确地对天然气体积流量进行测量。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明首先提出一种超声波气体流量计，包括流体输送管道以及安装在管道上的法兰、顺流方向超声波换能器发送信号端，顺流方向超声波换能器接收信号端、逆流方向超声波换能器发送信号端和逆流方向超声波换能器接收信号端；还包括有mcu芯片，所述mcu芯片连接有电源、用户按键设置模块、温度补偿模块、压力补偿模块、液晶显示、串口和无线通信模块以及用以标记流体累计流量的脉冲输出和标准4～20ma输出模块；所述顺流方向超声波换能器接收信号端和逆流方向超声波换能器接收信号端分别通过精细可调自动增益放大电路与mcu芯片连接；所述电源还连接至精细可调自动增益放大电路。

进一步，上述顺流方向超声波换能器发送信号端、顺流方向超声波换能器接收信号端、逆流方向超声波换能器发送信号端以及逆流方向超声波换能器接收信号端呈x型分布安装，各信号端的轴线分别与流体输送管道的轴线夹角为45°。

进一步，上述精细可调自动增益放大电路分为三级：第一级是对微弱超声波回波信号幅值进行粗略调节的程控放大，第二、三级是实现对增益的精细调节的dac放大电路，通过pid控制算法自动调整每一级放大电路的放大倍数，使回波信号的幅值能够处于所设定的幅值范围内。

进一步，上述mcu芯片的型号为stm320f446。

进一步，上述温度补偿模块和压力补偿模块在校准超声波气体流量计时，通过采集实时的温度和压力对流量测量进行补偿。

本发明还提出一种基于上述超声波气体流量计的流量测量方法：利用mcu芯片内部的adc模块采集经过放大后的两路顺、逆流方向超声波回波信号，使用超声波传播时间测量算法，对超声波回波信号到达时间进行判定，确定两路回波信号到达的时间；利用顺、逆流超声波信号传播时间之差计算流体的流速，进而得到流体的体积流量。

进一步，以上所述的流量测量方法中：所述超声波传播时间测量算法具体为：

以顺流方向超声波回波信号传播时间t1的测量进行说明：将采集到的顺流方向离散超声波回波信号为x1(k)，首先，初始化参数，阈值t，窗口宽度wid，数据长度n；然后，从k＝0开始进行搜索，当x1(k)＞t时，在k到k+wid的窗口范围内搜索回波信号的最大值点，并记下最大值点的时间，这是搜索到的超声波回波信号第一个有效极值点，根据此方法进行搜索，直到当k＞n-wid-1时，停止搜索，得到回波信号的所有有效极值点，选取第三个有效极值点p1所对应的时间t1作为顺流方向超声波传播时间，t1＝p1×ts，其中，ts为采样时间；

对逆流方向超声波回波信号的处理同所述顺流方向超声波信号处理方法相同。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明的超声波气体流量计中设计了精细可调数字自动增益控制电路，能够自动地对超声波回波信号的放大倍数进行精细的调整，使回波信号的幅值处于设定的范围内，避免放大倍数过小，导致信号特征不明显，或者放大倍数过大，导致信号失真，信号特征信息丢失；

(2)本发明能够准确确定超声波回波信号到达时间的测量算法，该方法能够准确测量顺、逆流方向超声波传播的时间差，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为本发明的超声波气体流量计框图；

图2为本发明中精细可调数字自动增益控制电路7的结构示意图；

图3为本发明中超声波传播时间测量算法的流程图。

其中：1为流体输送管道，2为法兰，3为顺流方向超声波换能器发送信号端，4为顺流方向超声波换能器接收信号端，5为逆流方向超声波换能器发送信号端，6为逆流方向超声波换能器接收信号端，7为精细可调自动增益放大电路，8为电源，9为mcu芯片，10为用户按键设置模块，11为温度补偿模块，12为压力补偿模块，13为液晶显示，14为串口和无线通信模块，15为脉冲输出和标准4～20ma输出模块。

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：本发明首先提出一种超声波气体流量计，包括流体输送管道1以及安装在管道1上的法兰2、顺流方向超声波换能器发送信号端3，顺流方向超声波换能器接收信号端4、逆流方向超声波换能器发送信号端5和逆流方向超声波换能器接收信号端6；还包括有mcu芯片9，所述mcu芯片9连接有电源8、用户按键设置模块10、温度补偿模块11、压力补偿模块12、液晶显示13、串口和无线通信模块14以及用以标记流体累计流量的脉冲输出和标准4～20ma输出模块15。顺流方向超声波换能器接收信号端4和逆流方向超声波换能器接收信号端6分别通过精细可调自动增益放大电路7与mcu芯片9连接；电源8还连接至精细可调自动增益放大电路7。电源8为整个装置提供电能。本发明的脉冲输出和标准4～20ma输出是用来标记流体累计流量的。

本发明的顺、逆流方向超声波换能器发送信号端3、5，顺、逆流方向超声波换能器接收信号端4、6是安装在两个法兰2之间的测量管道上，该测量管道紧密套装在流体输送管道1的外壁上。

本发明的顺流方向超声波换能器发送信号端3、顺流方向超声波换能器接收信号端4、逆流方向超声波换能器发送信号端5以及逆流方向超声波换能器接收信号端6呈x型分布安装，各信号端的轴线分别与流体输送管道1的轴线夹角为45°。

在本发明的最佳实施例中，mcu芯片9的型号为stm320f446。温度补偿模块11和压力补偿模块12在校准超声波气体流量计时，通过采集实时的温度和压力对流量测量进行补偿。

本发明的精细可调自动增益放大电路7分为三级：第一级是对微弱超声波回波信号幅值进行粗略调节的程控放大，第二、三级是实现对增益的精细调节的dac放大电路，通过pid控制算法自动调整每一级放大电路的放大倍数，使回波信号的幅值能够处于所设定的幅值范围内。如图2所示：第一级程控放大电路通过带通滤波连接第二级dac放大电路，第二级dac放大电路连接第三级dac放大电路，第三级dac放大电路通过低通滤波后连接adc采集模块，adc采集模块连接至mcu。并且，mcu分别连接至第一级程控放大电路、第二级dac放大电路和第三级dac放大电路的控制端。超声波回波信号输入至第一级程控放大电路的输入端。超声波回波信号来自顺、逆流方向超声波换能器接收信号端的信号。

本发明还提出一种基于上述超声波气体流量计的流量测量方法：

利用mcu芯片9内部的adc模块采集经过放大后的两路顺、逆流方向超声波回波信号(顺、逆流方向超声波回波信号是通过顺流方向超声波换能器发送信号端3、顺流方向超声波换能器接收信号端4、逆流方向超声波换能器发送信号端5以及逆流方向超声波换能器接收信号端6进行获取)，使用超声波传播时间测量算法，对超声波回波信号到达时间进行判定，确定两路回波信号到达的时间；利用顺、逆流超声波信号传播时间之差计算流体的流速，进而得到流体的体积流量，在本发明的流量测量方法中，温度和压力对于气体流量测量是有影响的，在校准超声波气体流量计时，通过温度和压力补偿模块，采集实时的温度和压力对流量测量进行补偿。

其中，本发明的流量测量方法中，超声波传播时间测量算法如图3所示，该算法具体为：

以顺流方向超声波回波信号传播时间t1的测量进行说明：将采集到的顺流方向离散超声波回波信号为x1(k)，首先，初始化参数，阈值t，窗口宽度wid，数据长度n；然后，从k＝0开始进行搜索，当x1(k)＞t时，在k到k+wid的窗口范围内搜索回波信号的最大值点，并记下最大值点的时间，这是搜索到的超声波回波信号第一个有效极值点，根据此方法进行搜索，直到当k＞n-wid-1时，停止搜索，得到回波信号的所有有效极值点，选取第三个有效极值点p1所对应的时间t1作为顺流方向超声波传播时间，t1＝p1×ts，其中，ts为采样时间。对逆流方向超声波回波信号的处理同所述顺流方向超声波信号处理方法相同。

综上所述，本发明的超声波气体流量计抗噪声干扰能力强，能够减少测量误差，具有测量精度高和稳定性优的特点，在气田生产过程中，能够可靠、稳定、准确地对天然气体积流量进行测量。