一种超声波气体流量计量方法及装置与流程

1.本发明涉及一种超声波气体流量计量方法及装置，属于流体流量检测技术领域。


背景技术：

2.气体超声波流量计量的原理，利用天然气流动对超声波脉冲的信号调制作用，通过检测信号的变化获得流量信息。随着超声波换能器性能的提升及价格下降，计算机技术、流体力学的发展，超声波计量技术在热工测量领域(天然气表、水表、热量表等)得到长足的发展和应用。
3.现有的超声波流量计得测量方法有很多，通常采用多普勒法、波束偏移法、时差法等，而其中时差法应用最为广泛。时差法超声波流量计的原理是：利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间差异与被测流体的流动速度有关系，那么，测出时间的差异就可以得出流体的速度。
4.但是现有的时差法的测量方式，在进行流量测量时，一般需要进行两次超声波信号的发射和接收，才能完成一次采样测量周期，如图1所示在一个测量周期内，超声波顺流方向传输的时间测定后，需要经过相应的发送时间间隔wt，然后再对逆流传输过程所用的时长进行测量，因而，传统的时差法普遍存在以下问题：
5.1)换能器工作时间较长：测量过程中需要进行顺流、逆流两次发送超声波信号，而在进行两次相反方向的测量之间，需要等待一段时间wt，增加换能器的工作时间，增加系统功耗。
6.2)两路超声波信号发送误差大：顺流逆流超声波信号在不同时刻发送，受环境温度、压力、气流流速等外部环境影响，外部环境的误差影响会被累计，影响测量精度；
7.3)信号不同源：发送的信号不同源，晶振频偏等造成两次信号本身的存在固有误差，影响采样精度；
8.因此，如何设计一种超声波气体流量计量方法及装置，以解决上述采用时差法进行流量检测所带来的问题，对提高现有流量检测精度和效率至关重要。


技术实现要素：

9.为了解决上述提出的检测误差大的技术问题，本发明的目的是提供一种超声波气体流量计量方法及装置。
10.为实现上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种超声波气体流量计量方法，采用固定安装在流道上、分别位于上、下游的两个超声波换能器进行测量；包括如下步骤：
11.1)在一个计量周期内，产生一路激励信号，所述一路激励信号通过两个发送放大电路分别驱动对应的超声波换能器，并记录激励信号；
12.2)在激励信号作用下，两个超声波换能器同时向流道内发送两路相向传输的超声波信号；并且所述两路超声波信号同时由对向的超声波换能器接收；
13.3)根据激励信号和接收到的超声波信号，提取超声波相向传输的时间差；
14.4)根据提取的超声波相向传输的时间差，利用时差法计算气体流量/流速。
15.本发明通过产生一路激励信号，驱动设置在气体管路上、下游的两个超声波换能器同时产生对向传输的两路超声波信号，并同时启动接收对向超声波换能器发送的超声波信号，分别记录对应超声波在流体中经过相同路径所采用的时间，然后根据对应的时间差计算气体流量。
16.基于上述方案所产生的有益效果是：
17.1、对向传输的两路超声波信号是同源信号，保证了信号的一致性，不受晶振频偏等的影响；
18.2、信号同一时刻发送，环境对等，受环境温度等条件影响是一致的，计算时可以消除误差的影响；而且信号同一时刻发送，路径对等，受气流不均匀、流道等条件影响是一致，气流、流道的累计误差影响小，从根源上减少或消除外部条件影响产生的误差；
19.3、对换能器无特殊要求，采用普通的换能器即可实现，信号一次发送，同时接收，减少工作时间，减少能量消耗；对流道无特殊要求，测量方法的通用性强。
20.进一步的，为了提高计算时间差的精度，采用互相关法提取超声波在流道内顺流、逆流方向相向传输的时间差。
21.进一步的，采用互相关法提取超声波在流道内顺流、逆流方向相向传输的时间差的具体步骤为：
22.记录的激励信号包括发送时刻t1、激励信号样本数据x1(x11，x12，...，x1n)；
23.位于下游的超声波换能器接收到顺流方向传播的超声波信号，采样数据为x2(x21，x22，...，x2m)，利用互相关算法确定信号的峰值，从而确定峰值信号对应的采样时刻tw，从而得到超声波在流道内顺流传播的时间t1，t1＝tw-t1；
24.位于上游的超声波换能器接收到逆流方向传播的信号，采样数据为x3(x31，x32，...，x3m)，利用互相关算法确定信号的峰值，从而确定峰值信号对应的采样时刻tw’，从而得到超声波在流道内顺流传播的时间t2，t2＝tw
’-
t1；
25.根据超声波在流道内顺流、逆流方向传输所用的时间，计算差值
△
t＝t2-t1。
26.进一步的，所述两个超声波换能器设置形式包括i型、z型或v型。
27.本发明还提供了一种超声波气体流量计量装置，包括mcu和固定安装在流道上、分别位于上、下游的两个超声波换能器，mcu通过两个发送放大电路分别连接所述两个超声波换能器，用于驱动超声波换能器产生超声波信号，mcu通过两个接收放大电路分别采样连接所述两个超声波换能器，以接收对向超声波换能器产生的超声波信号，mcu执行计算机程序，以实现如下方法：
28.在一个计量周期内，mcu产生一路激励信号，所述一路激励信号通过两个发送放大电路分别驱动对应的超声波换能器，并记录激励信号；
29.在激励信号作用下，两个超声波换能器同时向流道内发送两路相向传输超声波信号，并且所述两路超声波信号同时由对向的超声波换能器接收；
30.mcu根据激励信号和接收到的超声波信号，提取超声波相向传输的时间差；
31.mcu根据提取的超声波相向传输的时间差，利用时差法计算气体流量/流速。
32.本发明通过利用设置在气体管路上、下游的两个超声波换能器同时产生对向传输的两路超声波信号，并同时启动接收回波信号，分别记录对应超声波在流体中经过相同路径所采用的时间，然后根据对应的时间差计算气体流量。发送的顺流和逆流的两路超声波信号是同源信号，保证了信号的一致性，并且信号同一时刻发送，环境对等，受晶振频偏、环境温度等条件影响是一致的，计算时可以抵消来消除误差的影响；而且信号同一时刻发送，路径对等，受气流不均匀、流道等条件影响是一致，气流、流道的累计误差影响小，从根源上减少或消除外部条件影响产生的误差；并且，本发明的超声波气体流量计量方法，对换能器无特殊要求，才用普通的换能器即可实现，信号一次发送，同时接收，减少工作时间，减少能量消耗；对流道无特殊要求，测量方法的通用性强。
33.进一步的，为了提高计算时间差的精度，mcu采用互相关法提取超声波在流道内顺流、逆流方向相向传输的时间差。
34.进一步的，采用互相关法提取超声波在流道内顺流、逆流方向相向传输的时间差的具体步骤为：
35.记录的激励信号包括发送时刻t1、激励信号样本数据x1(x11，x12，...，x1n)；
36.位于下游的超声波换能器接收到顺流方向传播的超声波信号，采样数据为x2(x21，x22，...，x2m)，利用互相关算法确定信号的峰值，从而确定峰值信号对应的采样时刻tw，从而得到超声波在流道内顺流传播的时间t1，t1＝tw-t1；
37.位于上游的超声波换能器接收到逆流方向传播的信号，采样数据为x3(x31，x32，...，x3m)，利用互相关算法确定信号的峰值，从而确定峰值信号对应的采样时刻tw’，从而得到超声波在流道内顺流传播的时间t2，t2＝tw
’-
t1；
38.根据超声波在流道内顺流、逆流方向传输所用的时间，计算差值
△
t＝t2-t1。
39.进一步的，所述两个超声波换能器设置形式包括i型、z型或v型。
附图说明
40.图1是传统时差法测量时序图；
41.图2是本发明实施例所述的计量装置结构原理图；
42.图3是本发明实施例中两个换能器v型安装的原理图；
43.图4是本发明实施例中两个换能器i型安装的原理图；
44.图5是本发明实施例中两个换能器z型安装的原理图；
45.图6是本发明实施例中流量计量流程图；
46.图7是本发明实施例中计量过程对应的时序图。
具体实施方式
47.下面结合附图对本发明的实施方式作进一步详细的说明。
48.计量装置实施例：
49.如图2所示，本实施例中给出了一种超声波气体流量计量装置，包括mcu，固定安装
在流道上、分别位于上、下游的两个超声波换能器，分别为换能器a和换能器b，mcu控制连接所述两个超声波换能器，用于驱动超声波换能器产生超声波信号，以及采样超声波换能器接收到的超声波信号。
50.本实施例中通过分别设置两个发送放大电路，mcu通过两个发送放大电路分别连接换能器a和换能器b，具体的，如图2中所示，第一放大电路对激励信号进行放大后，直接发送给换能器a，第二发送放大电路对激励信号进行放大后，直接发送给换能器b，从而实现了两个超声波换能器受同源信号驱动。还包括连接换能器a的第一接收放大电路和连接换能器b的第二接收放大电路。mcu控制连接第一接收放大电路和第二接收放大电路，采样接收顺流、逆流下的对向换能器发出的超声波信号。
51.本实施例中所述的发送放大电路实际上是一种驱动电路，因其具有一定的信号放大作用，因而作为发送放大电路；所述的接收电路实际上是一种采样电路，同样具有一定的放大作用，因而作为接收放大电路使用。
52.本实施例中还给出了换能器a和换能器b具体的设置形式，也即通过改变换能器的设置形式，改变超声波在流道内的传输路径，从而适应不同的计量要求。
53.本实施例中，换能器a和换能器b采用v字型安装形式，具体形式如图3所示，换能器a和换能器b安装在管壁上，与管壁成θ角，这样既可以增加路径的长度，减小流速断面分布不均匀的误差。
54.图中v为流体流速，c为超声波在静止流体条件下的声速，d为管道直径。超声波脉冲从换能器a发射到换能器b为顺流，传输时间t1；超声波脉冲从换能器b发射到换能器a为逆流，传输时间为t2。逆流和顺流一个时间差
△
t。经过简化后的函数关系表达式：获取流速后，根据管道截面积，进而得到气体流量。
55.作为本实施例的另外一种实施方式，本实施例中，如图4所示，换能器a和换能器b也可以采用i法(换能器安装在流道测量部分两端)的安装形式，该换能器a和换能器b通过插接件的方式安装在管道内。
56.上述实施例中给出的都是换能器安装于管道同一侧的设置方式，但本发明的方法并不局限于上述安装方式，换能器a和换能器b的安装形式可以采用z型等，如图5给出了对应的安装形式，不同的安装形式使得超声波在流道中传播的路径也不相同，根据时差法进行计算时所采用的公式也就不同，此处不再详细介绍不同安装形式所对应的计算过程。
57.本实施例中给出了几种换能器的安装方式，上述几种设置方式主要是直射式、反射式和平行式的安装形式，本领域技术人员在本发明的基础上做出的任何直射式、反射式和平行式的安装形式，或者对上述几种形式进行变形的安装形式，都落入本发明的保护范围。
58.本实施例中利用上述计量装置进行计量的流程如图6所示，mcu定时计量周期，检测是否到达该计量周期，如果是，在一次计量周期内，mcu驱动产生一路激励信号，将所述一路激励信号通过两个发送放大电路处理后同时发送给两个超声波换能器，并记录激励信号；
59.然后，在激励信号作用下，驱动两个超声波换能器同时发出超声波信号，两个超声波换能器同时向流道内发送两路相向传输超声波信号，所述两路超声波信号由对向的超声
波换能器接收，使得流道内的超声波信号沿顺流、逆流方向同时传输。
60.mcu根据激励信号和接收到的超声波信号，提取超声波相向传输的时间差。具体的，通过相应的方式得到接收到顺流飞行的超声波信号的时刻tw，和接收到逆流飞行的超声波信号的时刻tw’，然后计算器顺流飞行时间t1和逆流飞行时间t2。
61.然后，mcu根据提取出超声波相向传输的时间差
△
t＝t2-t1，利用时差法计算气体流量/流速。
62.本实施例中采用互相关法提取超声波在流道内顺流、逆流方向相向传输的时间差。作为其他实施方式，还可以采用其他能够实现时间差提取的方式，例如采用阈值法，设定门限值进行时间差的提取，此过程为本领域的常规技术，故不再赘述。
63.具体的，上述利用互相关算法提取超声波在流道内相向传输的时间差的计算过程为：
64.(1)记录的激励信号包括发送时刻t1、激励信号样本数据x1(x11，x12，...，x1n)；
65.(2)位于下游的超声波换能器接收到顺流方向传播的超声波信号，采样数据为x2(x21，x22，...，x2m)，利用互相关算法确定信号的峰值，从而确定峰值信号对应的采样时刻tw，从而得到超声波在流道内顺流传播的时间t1，t1＝tw-t1；y(k)是计算出的序列值，x1，x2两个序列的长度均为m，y(k)的长度2m-1；如果两个序列长度不等，短的补充0，下述x3同理。
66.(3)位于上游的超声波换能器接收到逆流方向传播的信号，采样数据为x3(x31，x32，...，x3m)，利用互相关算法确定信号的峰值，从而确定峰值信号对应的采样时刻tw’，从而得到超声波在流道内顺流传播的时间t2，t2＝tw
’-
t1；
67.(4)根据超声波在流道内顺流、逆流方向传输所用的时间，计算差值
△
t＝t2-t1。
68.如图7所示为本实施例中的方式进行计量时的时序图，通过本实施例中给出的计量方式，利用同源激励信号，实现了换能器同时收发的计量过程，该过程从根源上减少或消除了外部条件影响的误差，同时计量周期短，减少了能耗。并且，对换能器并无特殊要求，只需要现有的普通换能器即可实现该过程。
69.计量方法实施例：
70.本实施例中还给出了一种超声波气体流量计量方法，采用固定安装在流道上，分别位于上、下游的两个超声波换能器进行计量；包括如下步骤：
71.1)在一个计量周期内，产生一路激励信号，所述一路激励信号通过两个发送放大电路分别驱动对应的超声波换能器，并记录激励信号；
72.2)在激励信号作用下，两个超声波换能器同时向流道内发送两路相向传输的超声波信号；并且所述两路超声波信号同时由对向的超声波换能器接收；
73.3)根据激励信号和接收到的超声波信号，提取超声波相向传输的时间差；
74.4)根据提取的超声波相向传输的时间差，利用时差法计算气体流量/流速。
75.各步骤的具体实现方式已在上述计量装置实施例中进行了详细说明，此处不再赘述。
76.以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。本发明的基
本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。