CN101004353A - 一种用于超声波流量计时差交叉检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于超声波流量计时差交叉检测方法。采用两对换能器作为发射和接收信号探头组，成交叉布置；一个测量周期包括两个过程：第一对换能器顺流工作，另一对换能器逆流工作，两对换能器的发射探头同时发射超声波，记录三个时间差，即两对换能器各自到达接收换能器的传播时间和逆流与顺流声波传输时间差；将两对换能器工作方向对调，重复上述步骤，得到另外三个时间差。根据这些数据，结合几何信息计算出流速和流量。同一般频差法一样，它不存在流体温度、成分变化等引起的超声波在介质中传播速度变化的影响；信号发射到接收的传播时间以及时间差都由直接测量得到，各个量测量精度要求相同，记录有效数字一般3位即可，对电子线路要求较低。

Description

一种用于超声波流量计时差交叉检测方法

技术领域

本发明涉及超声波流量计技术，特别涉及一种用于超声波流量计时差交叉检测方法。

背景技术

与机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比，超声波流量计有许多优点，诸如计量精度高、对管径的适应性强、非接触测量、使用方便和易于数字化管理等。随着压电陶瓷技术、电子技术和高速数字处理技术的发展，超声波流量仪表的性能大大提高、制造成本大大降低，超声波流量计的适用范围得以扩大，到20世纪90年代末，超声波流量计在气体流量测量领域获得相当的优势。

根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大。多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广，但相关器价格贵，线路比较复杂。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速的，故统称为传播速度差法。一般说来由于工业生产中介质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。这两种方法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高。只有在管径很大时才采用直接时差法。时差法超声波流量计(Transit Time UltrasonicFlowmeter)其工作原理如附图1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

图1中有两个超声波换能器：换能器u和换能器d，两个换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L，超声波顺流速度为t_s，逆流速度为t_n，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。由于流体流动的原因，超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，流速测量原理用下式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_s=\frac{L}{c+V\cos \mathrm{\θ}}\\ t_n=\frac{L}{c-V\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，t_s和t_n为顺流和逆流传播时间。

将(1)式中两式相减，可以得到

$\mathrm{\Δt}=t_n-t_s=\frac{2\mathrm{VL}\cos \mathrm{\θ}}{c^2-V^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

由于流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量，上式可简化为：

$\mathrm{\Δt}\≈\frac{2\mathrm{VL}\cos \mathrm{\θ}}{c^2}---\left(3\right)$

故流体的流速为：

$V\≈\frac{c^2\mathrm{\Δt}}{2L\cos \mathrm{\θ}}---\left(4\right)$

由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比，同时与声速有关。这样一来，流体成分、温度等变化所带来的声速变化会给测量带来误差。事实上，(1)式也可以得到如下结果

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_s}-\frac{1}{t_n})---\left(5\right)$

上式中不出现声速c，消除了声速变化的影响。但是，这种情况下对于传播时间测量的精度要求大为提高，对于测量线路的要求随之提高。

事实上，超声波流量计目前所存在的缺点之一是超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米到几十米，而声波在液体中的传播速度约为1500m/s左右，在气体中也有每秒几百米。被测流体流速与声速的比值处于0.1％～10％数量级，如果要求流速的准确度为1％，则对声音传播时间的测量准确度需为0.01％～0.0001％数量级，因此必须有完善的测量方法才能实现。对于频差法及时差法来说，这一问题尤为显著，因为在这两个方法中直接测量的是声音的传播时间，而不是时差，这就需要更高的测量精度。

发明内容

要解决的主要问题是速度差式超声波流量计，尤其是频差式超声波流量计时间测量精度要求高、电子线路复杂的问题。为此，本发明的目的在于提供一种用于超声波流量计时差交叉检测方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

采用直接测量的管线两侧交叉布置的两对超声波换能器之间的超声波传播时间差，其检测步骤如下：

1)采用两对换能器作为发射和接收信号探头组，成交叉布置；

2)一个测量周期包括两个过程：

过程1，第一对换能器顺流工作，另一对换能器逆流工作，两对换能器的发射探头同时发射超声波，记录三个时间差，即两对换能器各自到达接收换能器的传播时间和逆流与顺流声波传输时间差；

过程2，将两对换能器工作方向对调，重复上述步骤，得到另外三个时间差。

3)根据这些数据，结合几何信息计算出流速和流量。

这种方法具体叙述如下：采用两对换能器作为一组发射和接收信号探头，成X型布置，一对顺流工作，一对逆流工作，记录三个时间：两对换能器的发射探头同时发射超声波，各自到达接收换能器，传播时间分别记为t_s1(第一对换能器顺流工作时超声波传播时间)、t_n2(第二对换能器逆流工作时超声波传播时间)，另外记录逆流和顺流声波传输时差Δt₁(＝t_n2-t_s1)，即顺流换能器接收探头接收到信号后开始计时，逆流换能器接收探头接收到信号时计时结止；然后将两对换能器工作方向对调，重复上述步骤，得到t_n1(第一对换能器逆流工作时超声波传播时间)、t_s2(第二对换能器顺流工作时超声波传播时间)、Δt₂(＝t_n1-t_s2)。根据这些数据，结合几何信息就可以计算出流速，进而获得流量。

本发明具有的有益效果是：

同一般频差法一样，本发明中的方法不存在流体温度、成分变化等引起的超声波在介质中传播速度变化的影响；

此方法中信号发射到接收的传播时间t_s1、t_n1、t_s2、t_n2，以及时间差Δt₁、Δt₂都由直接测量得到，各个量测量精度要求相同，记录有效数字一般3位即可，对电子线路要求较低。

附图说明

图1是时差法超声波流量测量原理示意图；

图2是时差交叉检测法超声波流量计测量原理示意图；

图3是基于时差交叉检测方法的超声波流量计的设计框图。

具体实施方式

本发明提出了一种新颖的超声波流量计信号检测方法-时差交叉检测方法。具体原理如下：

如图2所示，采用两对超声波换能器：换能器u₁(上游)、换能器d₁(下游)和换能器u₂(上游)、换能器d₂(下游)，两对换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，四个换能器成X型布置，超声波行走的路径长度分别为L₁和L₂，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角分别为θ₁和θ₂。超声波顺流传播时间为t_s，逆流传播时间为t_n。

工作时，两对换能器同时被触发，其中一对顺流，一对逆流，下面举例说明流量计的工作过程。不妨假设首先使换能器u₁和换能器d₁为顺流，换能器u₂和换能器d₂为逆流。此时，换能器u₁和换能器d₂为发射信号探头，换能器d₁和换能器u₂为接收信号探头。触发电路使换能器u₁和换能器d₂同时发出超声波，分别为换能器d₁和换能器u₂所接收。两路超声波自发射到接收的时间记为t_s1和t_n2。另外，两路超声波传播的时间差也记录下来，计为Δt₁(＝t_n2-t_s1)，Δt₁是这样测量的：顺流换能器接收探头d₁接收到信号后开始计时，逆流换能器接收探头u₂接收到信号时计时结止，所纪录的时间即为Δt₁；将两对换能器工作方向对调，原发射探头变成接收探头，而接收探头变成发射探头，重复上述步骤，得到t_s2、t_n1和Δt₂(＝t_n1-t_s2)。

根据传播速度差式超声波工作原理容易得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{t_{s1}}-\frac{1}{t_{n1}}=\frac{2V\cos {\mathrm{\θ}}_1}{L_1}\\ \frac{1}{t_{s2}}-\frac{1}{t_{n2}}=\frac{2V\cos {\mathrm{\θ}}_2}{L_2}\end{array}\right.---\left(6\right)$

即 $\left\{\begin{array}{c}{t}_{n1}-t_{s1}=\frac{2V\cos {\mathrm{\θ}}_1}{L_1}{t}_{s1}{t}_{n1}\\ t_{n2}-t_{s2}=\frac{2V\cos {\mathrm{\θ}}_2}{L_2}{t}_{s2}{t}_{n2}\end{array}\right.---\left(7\right)$

(7)式中两式相加，

$(t_{n1}-t_{s1})+(t_{n2}-t_{s2})=(t_{n2}-t_{s1})+(t_{n1}-t_{s2})=\mathrm{\Δ}{t}_1+\mathrm{\Δ}{t}_2=\frac{2V\cos {\mathrm{\θ}}_1}{L_1}{t}_{s1}{t}_{n1}+\frac{2V\cos {\mathrm{\θ}}_2}{L_2}{t}_{s2}{t}_{n2}---\left(8\right)$

于是得到

$V=\frac{1}{2}\·\frac{{\mathrm{\Δt}}_1+{\mathrm{\Δt}}_2}{\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_1}{L_1}{t}_{s1}{t}_{n1}+\frac{\cos {\mathrm{\θ}}_2}{L_2}{t}_{s2}{t}_{n2}}---\left(9\right)$

式中t_s1、t_n1、t_s2、t_n2、Δt₁和Δt₂都由测量得到，各项精度要求相同；而L₁、L₂、θ₁和θ₂为几何参数，事先给定或测量得到。此式也与介质超声波速度c无关。得到流速后，流量可以根据管道形状和尺寸计算得出。

Q＝kAV    (10)

其中k为流量系数，A为流通面积。

图3是基于时差交叉检测方法设计的超声波流量计原理框图。图中主要有四个超声波发射器(同时也是接收器)、一个时间测量单元、一个控制器和输入输出接口设备。需要指出的是：(1)换能器即可作为发射器也可作为接收器，因此，当作为发射器时，换能器记为发射器u₁、d₁、u₂和d₂，当作为接收器时，换能器记为接收器u₁、d₁、u₂和d₂；(2)换能器u₁和d₁为一组，u₂和d₂为一组；(3)时间测量单元中有三个计时器，分别是顺流计时器、逆流计时器和传播时间差计时器。

基于附图3的超声波流量计工作过程如下(参见图2所示)：

1)工作时，控制器发出指令，同时触发两对换能器。假设首先使发射器u₁和接收器d₁为顺流，发射器d₂和接收器u₂为逆流。触发电路使发射器u₁和d₂同时发出超声波，时间测量单元中顺流和逆流计时器同时开始计时；2)当顺流组超声波到达接收器d₁时，顺流传播计时结束，顺流传播时间记为t_s1。与此同时，传播时间差计时器开始计时；3)当逆流组超声波到达接收器u₂时，逆流传播计时结束，逆流传播时间记为t_n2。同时，传播时间差计时器计时结束，该传播时间差记为Δt₁(＝t_n2-t_s1)；4)控制器发出指令，将两对换能器工作方向对调，即发射器d₁和接收器u₁为逆流，发射器u₂和接收器d₂为顺流。触发电路使发射器u₂和d₁同时发出超声波，时间测量单元中顺流和逆流计时器同时开始计时；5)当顺流组超声波到达接收器d₂时，顺流传播计时结束，顺流传播时间记为t_s2。与此同时，传播时间差计时器开始计时；6)当逆流组超声波到达接收器u₁时，逆流传播计时结束，逆流传播时间记为t_n1。同时，传播时间差计时器计时结束，该传播时间差记为Δt₂(＝t_n1-t_s2)；7)控制器发出指令，将t_s1、t_s2、t_n1、t_n2、Δt₁和Δt₂输出到信号处理设备，依据公式(9)通过处理和分析即可得到流体流速，并进一步计算出流量。

需要说明的是，这里仅给出了一组换能器的双通道流量计设计框图的例子，上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种用于超声波流量计时差交叉检测方法，其特征在于采用直接测量的管线两侧交叉布置的两对超声波换能器之间的超声波传播时间差，其检测步骤如下：

1)采用两对换能器作为发射和接收信号探头组，成交叉布置；

2)一个测量周期包括两个过程：

过程1，第一对换能器顺流工作，另一对换能器逆流工作，两对换能器的发射探头同时发射超声波，记录三个时间差，即两对换能器各自到达接收换能器的传播时间和逆流与顺流声波传输时间差；

过程2，将两对换能器工作方向对调，重复上述步骤，得到另外三个时间差。

3)根据这些数据，结合几何信息计算出流速和流量。

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