CN101118170A - 多声路时差式超声波流量计 - Google Patents

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CN101118170A CNA2007101314025A CN200710131402A CN101118170A CN 101118170 A CN101118170 A CN 101118170A CN A2007101314025 A CNA2007101314025 A CN A2007101314025A CN 200710131402 A CN200710131402 A CN 200710131402A CN 101118170 A CN101118170 A CN 101118170A
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徐春荣
赵学东
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Abstract

本发明公开了一种多声路时差式超声波流量计，它包括上游换能器、下游换能器、发射机、接收机和控制单元，每个上游换能器和下游换能器都与一个独立的发射机及一个独立的接收机相连，且各发射机和接收机相互并行连接至控制单元并受其控制。本发明用于监测大型流道的流量，多个声路测量使用并行的高压脉冲发射机微处理器及控制电路通过译码总线选择不同的发射机，来对不同声路及不同声路中的正向或逆向进行操作。即每个通道的正、逆向有各自的发射机及相应的接收电路。由于发射机之间的切换没有使用继电器，因此发射机之间的切换时间很小；这样可以用多脉冲技术，对各个通道进行多次测量，从而提高测量超声波传播时间的精度。

Description

多声路时差式超声波流量计
一、技术领域
本发明涉及一种用于水电站或大型输水、供水工程中监测大口径流道内水流量的多声路时差式超声流量计，其采用一种高精度、超声波多脉冲测量技术，将有效提高流量的测量精度。
二、背景技术
在我国的大型水电站或大型输水、供水工程中，需要能监测大型流道内水流量的多声路时差式超声波流量计。目前国内、国外已有的多声路时差式超声波流量计，都是采用多个声路(通道)的发射共用一个发射机，多个声路(通道)的发射信号、接收信号是通过继电器来切换的，由于继电器的闭合或断开需要消耗一定的延时(10ms级的延时)，就限制了超声波发射与接收的多脉冲测量；另外，多个声路(通道)共用一个发射机，一方面，限制了超声波多脉冲测量；另一方面，因发射机的发射电压往往较高(400V或1000V脉冲信号)，如果发射机发生故障，所有声路(通道)都将无法工作。继电器作为声路切换器件，其动作次数是有限的，动作次数为108数量级，如切换过快其工作寿命及可靠性都将降低。另外，水银继电器安装位置有方向性，一般需竖直放置才能工作，不符合环保要求等缺陷，国际上已逐步停产。
由于大型流道流量测量场合大部分平直段较短，流道内呈现脉动流状态，流速分布在空间及时间上都是变化的。目前国内、国外已有的多声路时差式超声波流量计，由于继电器10ms级的延时，不能在同一时刻对一个声路的正向和逆向传播时间进行测量；而且声路越多延时也越大，这样就无法在同一时刻对流道内的流速分布进行采样，造成了测量精度无法有效提高的问题。例如，一台8声路流量计，继电器延时高达160ms，若流速为10米/秒时，采样初期的“流速分布剖面”已前行1.6米。实际上通过观察可以发现，即使采用了多达8个声路，测量数据仍然波动很大，需经长时间平均才能稳定，而长时间平均又会降低流量计的动态响应性能。
三、发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种采用并行多发射机，即每个通道以及每个通道的正逆向都有发射机，并采用超声波多脉冲发射与接收的流量计硬件，以提高超声波流量计测量传播时间的精度，从而提高超声波流量计整体的流量测量精度。
为了解决上述技术问题，本发明所述的多声路时差式超声波流量计，它包括上游换能器、下游换能器、发射机、接收机、控制单元及显示单元，所述上游换能器和下游换能器分别设在各个大口径流道的上游及下游通道内，并与发射机及接收机相连，发射机及接收机依次与控制单元及显示单元连接实现控制，其特征是：每个上游换能器和下游换能器都与一个独立的发射机及一个独立的接收机相连，且各发射机和接收机相互并行连接至控制单元并受其控制。
上述控制单元包括微处理器(uP)及控制电路、发射及接收切换电路、带通滤波及自动增益控制电路、高速波形采样电路、计数器和晶振时基电路，微处理器(uP)及控制电路分别与发射及接收切换电路、带通滤波及自动增益控制电路、高速波形采样电路、计数器相连，发射及接收切换电路通过译码总线与各发射机及接收机相连进行时序控制，来自各接收机的信号接入带通滤波及自动增益控制电路进行处理后再输入高速波形采样电路进行采样，带通滤波及自动增益控制电路和发射及接收切换电路还与计数器连接实现停止和启动计数器，晶振时基电路与计数器连接提供脉冲时间基准。
本发明用于监测大型流道的流量，多个声路(通道)测量使用并行的高压脉冲发射机微处理器(uP)及控制电路通过译码总线选择不同的发射机，来对不同声路(通道)及不同声路(通道)中的方向(正向或逆向)进行操作。即每个通道的正、逆向有各自的发射机及相应的接收电路。由于发射机之间的切换没有使用继电器，因此发射机之间的切换时间很小(切换时间在微秒级)；这样可以用多脉冲技术，对各个通道进行多次测量，从而提高测量超声波传播时间的精度。
由于流道内流速分布在空间及时间上的变化具有相当大的不确定性，流量测量实际上是一个统计的过程，通过多脉冲技术，大量采样数据进行统计平均，才能获得高精度。另外，接收信号中不可避免会出现随机噪声，采用多脉冲技术也有利于消除噪声的干扰。多脉冲技术还有一个优点，就是在流道内存在泥沙或气泡等阻碍超声波脉冲传播的物体的情况下，能有效克服信号丢失现象。
因此，多声路时差式超声波流量计具有对各个测量声路同时进行“零时延”测量，且能在短时间内大量采集数据进行统计平均的多脉冲技术，可以有效提高流量计的测量精度。
四、附图说明
图1是本发明一个实施例的结构示意框图，
图2是测量周期流程图，
五、具体实施方式
以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
如图1所示，一种多声路时差式超声波流量计，它包括上游换能器、下游换能器、发射机、接收机、控制单元及显示单元，其中上游换能器和下游换能器分别设在各个大口径流道的上游及下游通道内，并与发射机及接收机相连，发射机及接收机依次与控制单元及显示单元连接实现控制，每个上游换能器和下游换能器都与一个独立的发射机及一个独立的接收机相连，且各发射机和接收机相互并行连接至控制单元并受其控制。控制单元包括微处理器(uP)、发射及接收切换电路、带通滤波及自动增益控制电路、高速波形采样电路、计数器和晶振时基电路，微处理器(uP)分别与发射及接收切换电路、带通滤波及自动增益控制电路、高速波形采样电路、计数器相连对，发射及接收切换电路通过译码总线与各发射机及接收机相连进行时序控制，来自各接收机的信号接入带通滤波及自动增益控制电路进行处理后再输入高速波形采样电路进行采样，带通滤波及自动增益控制电路和发射及接收切换电路还与计数器连接实现停止和启动计数器，晶振时基电路与计数器连接提供脉冲时间基准。
微处理器(uP)及控制电路通过译码总线选择不同的发射机，来对不同声路(通道)及不同声路(通道)中的方向(正向或逆向)进行操作；并可以用多脉冲技术，对各个通道进行多次测量，从而提高测量超声波传播时间的精度。
工作中，微处理器(uP)通过通讯口按一定周期接收显示单元的数据及命令，接收到数据及命令后，微处理器(uP)经控制电路，发射及接收切换电路，生成通道的发射机地址和接收机地址，并启动发射机发射信号，在启动发射机的同时，启动计数器，对高频率时基(频率，80MHz；周期，12.5ns)计数，例如，对于第一通道：
当进行正向测量时，译码总线选通发射机1和接收机2，此时发射机1发射高压脉冲至上游超声波换能器，超声波便在水中传播，到达下游换能器，经接收机2，进入带通滤波及自动增益控制电路，微处理器(uP)会自动将接收信号放大到有效的幅值，在信号到达前，自动启动高速波形采样，当信号幅度达到某个域值，停止计数器计数，并通知微处理器(uP)读取该计数值，读到的计数值乘以时基周期即为时间，再扣除电路中的延时，就是超声波从上游换能器发射至下游换能器接收到的传播时间，称为正向传播时间。
当对第一通道逆向进行测量时，译码总线选通发射机2和接收机1，此时发射机2发射高压脉冲至上游超声波换能器，经接收机1，进入带通滤波及自动增益控制电路，这样可以得到超声波从下游换能器发射至上游换能器接收到的传播时间，称为逆向传播时间。
根据正、逆向传播时间，可以得到该通道的水流速，以此类推，测出多个通道的流速，将流速对断面面积积分，可以计算出断面流量。图2是测量周期流程图。
采样到的超声波信号波形，还可以用于换能器的诊断。
由于采用了并行发射机，发射机与发射机间的能快速切换，这样可以连续不断地对某个通道或多个通道进行多脉冲循环测量，多次测量可以明显提高正、逆向传播时间的测量精度，从而提高流速的测量精度，亦即可提高流量的测量精度。
本发明的工作流程：
1.首先，显示控制单元发送相关数据及命令至uP及控制电路模件。
2.uP及控制电路模件收到数据及命令后，进行所有的声路测量，测量超声波传播时间。
每个声路测量的详细步骤为：
uP通过选择发射机和对应的接收机，选通某个通道的两个换能器；
Figure A20071013140200062
清零传播时间计数器；
Figure A20071013140200063
开放脉冲发射机；
Figure A20071013140200064
发射机发出一个高压脉冲，驱动发射换能器，同时启动传播时间计数；
Figure A20071013140200065
uP及控制电路根据换能器的发射频率自动对接收信号滤波以及自动将接收信号放大的最佳幅值；
Figure A20071013140200066
根据当前的声路长度，预估信号到达的时间，并在信号最早可能到达的时间点之前，打开接收电路；
高速采样接收信号的波形；
Figure A20071013140200072
检测接收信号的第一个负半波；
Figure A20071013140200073
在接收信号到达时，停止传播时间计数；
Figure A20071013140200074
判断该声路测量是否准确，接收到的信号是否正常，并置相应状态标志；
Figure A20071013140200075
进行下个声路的测量；
3、将测量得到的数据上传到显示控制单元，显示单元进行相关的计算，并更新显示以及相关的输出。

Claims (2)

1.一种多声路时差式超声波流量计，它包括上游换能器、下游换能器、发射机、接收机、控制单元及显示单元，所述上游换能器和下游换能器分别设在各个大口径流道的上游及下游通道内，并与发射机及接收机相连，发射机及接收机依次与控制单元及显示单元连接实现控制，其特征是：每个上游换能器和下游换能器都与一个独立的发射机及一个独立的接收机相连，且各发射机和接收机相互并行连接至控制单元并受其控制。
2.根据权利要求1所述多声路时差式超声波流量计，其特征是：所述控制单元包括微处理器(uP)及控制电路、发射及接收切换电路、带通滤波及自动增益控制电路、高速波形采样电路、计数器和晶振时基电路；微处理器(uP)及控制电路分别与发射及接收切换电路、带通滤波及自动增益控制电路、高速波形采样电路、计数器相连，发射及接收切换电路通过译码总线与各发射机及接收机相连进行时序控制，来自各接收机的信号接入带通滤波及自动增益控制电路进行处理后再输入高速波形采样电路进行采样，带通滤波及自动增益控制电路和发射及接收切换电路还与计数器连接实现停止和启动计数器，晶振时基电路与计数器连接提供脉冲时间基准。
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