CN102261937A

CN102261937A - 一种高精度时差式超声波流量计及其流量测量方法

Info

Publication number: CN102261937A
Application number: CN 201110103079
Authority: CN
Inventors: 吴江涛; 陈强
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2011-11-30

Abstract

本发明公开了一种高精度时差式超声波流量计，包括流量计管段，流量计管段上设有形成第一声道的第一探头、第二探头、第一短管和第二短管，以及形成第二声道的第三探头、第四探头、第三短管和第四短管；第一探头和第二探头分别通过螺纹安装在流量计管段上焊接的第一短管和第二短管上；第三探头和第四探头分别通过螺纹安装在流量计管段上焊接的第三短管和第四短管上；第一声道和第二声道平行交叉布置在流量计管段上，且分别与流量计管段的管轴线成相等夹角θ。该种流量计采用双声道超声波进行测量，并且采用计时芯片开发计时电路，使计时更加精确，并且本发明能实现测温功能，不必再单独设计测温电路，其不仅结构简单、使用方便，而且测量精度高。

Description

一种高精度时差式超声波流量计及其流量测量方法

技术领域

本发明属于流量测量设备技术领域，涉及一种流量计，尤其是一种利用高精度计时电路和经过高精度热力学方程式修正流量、适用于各种流体输运及贸易计量的超声波流量计及其流量测量方法。

背景技术

超声波流量计相对于其他流量计而言，具有非接触测量，对管路基本无干扰，可以双向测量，零压损，量程比大，无可动部件，易维修等优点，因而近年来被视为最有发展前景的流量计。超声波流量计作为一种体积流量计，其测得流量需要进行四个步骤来实现：

1)超声波探头向管道内部流体中发射声波，启动计时，在一定时间之后接收超声波信号。

2)对接收到的模拟信号进行放大滤波处理，判定声波到达时刻，结束计时，得到各声路上下游声波传播时间。

3)计算每声路当地流速值，由积分函数取得截面平均流速，进而求得体积流量。

4)根据测得的温度压力计算流体密度值，将体积流量转化为质量流量。

现有技术中存在如下缺点：

(1)作为超声波流量计的核心部分，计时电路的精度直接决定了流量计性能的高低，现有的计时电路多利用晶振计时搭配FPGA或者CPLD电路来实现，分立元件多，电路复杂且测试分辨率仅为5-10纳秒(ns)，并不能满足超声波流量测量所需的较高测时分辨率(0.1ns)要求。

(2)超声波流量计属体积流量计，在某些情况下需要利用密度值将体积流量转化为质量流量。在热工领域，可通过将测得的压力及温度值代入热力学状态方程式中求解流体密度。热力学状态方程式的精度直接决定了密度值的准确度。目前超声波流量计的研究开发都集中在声学探头和计时电路上，而忽视了流体热物性状态方程在流量计量中的重要性，造成非标准工况下流体质量流量的计量有较大误差。

(3)传统超声波流量计为同一声路两个探头共用发射与接收电路，测量时通过切换电路分别发射与接收，采集的正向与逆向传播时间之间有延时，并不能准确跟踪流速变化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种新型高精度时差式超声波流量计及其流量测量方法，该种流量计采用双声道超声波进行测量，并且采用计时芯片开发计时电路，使计时更加精确，并且本发明能实现测温功能，不必再单独设计测温电路，其不仅结构简单、使用方便，而且测量精度高。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种高精度时差式超声波流量计，包括流量计管段，所述流量计管段上设有形成第一声道的第一探头、第二探头、第一短管和第二短管，以及形成第二声道的第三探头、第四探头、第三短管和第四短管；所述第一探头和第二探头分别通过螺纹安装在流量计管段上焊接的第一短管和第二短管上；所述第三探头和第四探头分别通过螺纹安装在流量计管段上焊接的第三短管和第四短管上；所述第一声道和第二声道平行交叉布置在流量计管段上，且分别与流量计管段的管轴线成相等夹角θ。

以上第一至第四探头与各自独立的发射电路和接收电路相连，且所有探头实现同步发射及接收超声波信号。

上述探头的发射电路和接收电路分别连接至各自的计时电路，所述计时电路由计时芯片、微处理器、光耦电路、比较器和晶振组成，所述计时芯片经光耦电路以及信号调理电路连接至比较器，所述计时芯片还与用以提供基准时钟的晶振以及控制计时流程的微处理器连接。

上述计时电路输入端还连接有温度传感器。

上述超声波流量计还包括有以太网及USB接口，多台流量计通过网络通信可监测与控制管网的流量。

基于以上所述的超声波流量计，本发明还提出一种流量测量方法，具体包括以下步骤：

1)计时芯片内置脉冲发生器发射出多个连续脉冲，同时启动计数器；

2)脉冲信号经光耦隔离及前置放大后同步驱动第一、二声道上的四个探头，第一探头与第二探头、第三探头与第四探头相互发射超声波信号；

3)在经过设定的时间窗口之后，接收电路打开，同步开始接受同一声道另外探头发射的超声波信号；

4)接受的超声波信号在经过带通滤波及后置放大处理后送至比较器，进行过零检测，判断信号到达时刻后停止计时，得到每个声路的顺流及逆流传播时间；

5)对所测得的时间值进行诊断，如果有错误，则放弃本次测得时间值，并重新测量；

6)微处理器利用测得的有效时间值根据公式(1)计算每声道当地流速u_i，并对各声道流速按照积分权重w_i求和，得到截面平均流速U，乘以截面面积A，再经流量修正系数K修正，进而得到体积流量Q_v；

u_{i} = \frac{l_{i}}{2 \cos θ} (\frac{1}{t_{down}} - \frac{1}{t_{up}})

U = K * Σ_{i = 1}^{n} u_{i} * w_{i}

Q_v＝A*U (1)

Q_{m} = ρ {* Q}_{v} = ρ * K * Σ_{i = 1}^{n} u_{i} * w_{i}

7)所述流量计将温度传感器连接至计时电路采集温度信息，压力传感器连接至压力测量电路采集压力信息；采集得到的压力、温度值送至微处理器，微处理器根据预先存储的高精度热力学方程式计算密度值ρ，最后得出质量流量Q_m。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1)传统超声波流量计采用FPGA或CPLD电路搭配晶振来计时，系统复杂且计时分辨率为5-10ns，本发明利用计时芯片开发计时电路，该芯片计时原理与晶振完全不同。在芯片中电信号通过单个门电路的时间是确定的，通过计算电信号经过的门电路个数来计时，计时分辨率达到了65ps，计时更加精确。此外，该芯片还能实现测温功能，不必再单独设计测温电路，使系统更加简单经济。

2)本发明利用发明人自行开发的流体热物性状态方程，计算在不同压力及温度下的流体密度，进而由体积流量得到质量流量，同时对于如氢气、天然气等能源气体还可利用热物性实验数据计算能量流量，使能源气体的贸易计量更加科学。

3)本发明各个探头都有独立的发射、接收电路，与同一声道两个探头共用发射接收电路相比，一方面消除了发射与接收电路相互切换带来的延时。另一方面同一声道两探头同时发射、接收信号，流量测量采样率更大，更能实时捕捉流量的微小变化。

附图说明

图1为本发明流量计管段正视图；

图2为本发明流量计管段侧视图；

图3为本发明流量计管段沿声道平面的剖面视图；

图4为本发明流量计的系统结构示意图；

图5为本发明流量计工作流程示意图；

图6为本发明计时电路图。

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1-3，本发明的高精度时差式超声波流量计，包括流量计管段50，在流量计管段50的两端焊接有用于流量计的整体安装的法兰20。在流量计管段50上设有形成第一声道60的第一探头410、第二探头420、第一短管310和第二短管320，以及形成第二声道70的第三探头430、第四探头440、第三短管330和第四短管340；第一探头410和第二探头420分别通过螺纹安装在流量计管段50上焊接的第一短管310和第二短管320上；第三探头430和第四探头440分别通过螺纹安装在流量计管段50上焊接的第三短管330和第四短管340上；第一声道60和第二声道70平行交叉布置在流量计管段50上，且分别与流量计管段50的管轴线80成相等夹角θ。本发明的超声波流量计还包括有以太网及USB接口，多台流量计通过网络通信可监测与控制管网的流量。在本发明的流量计电路中，存储模块中储存有高精度热力学状态方程和热物性实验数据，导入测得的温度、压力值，能够计算流体密度及热力学状态参数。

上述探头的发射电路和接收电路分别连接至各自的计时电路，计时电路利用流量计计时芯片(如TDC-GP2)开发，由计时芯片、微处理器、光耦电路、比较器和晶振组成，如图4所示，计时芯片经光耦电路、信号调理电路连接至比较器。计时芯片还连接晶振与微处理器，晶振负责提供基准时钟，微处理器负责控制计时流程。该计时方案计时分辨率可达65ps。所述计时电路输入端还连接有温度传感器，可实现测温功能。

另外超声波流量计还包括有微处理器、压力测量电路、存储模块、键盘及显示模块；所述压力测量电路的输入端连接有压力传感器；所述微处理器还连接至计时电路、光耦隔离电路、放大电路、滤波电路、后置放大电路和比较器。

参见图5，本发明的流量计的流量测量方法如下：

2)脉冲信号经光耦隔离及前置放大后同步驱动第一、二声道上的四个探头，第一探头(410)与第二探头(420)、第三探头(430)与第四探头(440)相互发射超声波信号；

6)微处理器利用测得的有效时间值根据公式(1)计算每声道当地流速ui，并对各声道流速按照积分权重wi求和，得到截面平均流速U，乘以截面面积A，再经流量修正系数K修正，进而得到体积流量Qv；

u_{i} = \frac{l_{i}}{2 \cos θ} (\frac{1}{t_{down}} - \frac{1}{t_{up}})

U = K * Σ_{i = 1}^{n} u_{i} * w_{i}

Q_v＝A*U (1)

Q_{m} = ρ {* Q}_{v} = ρ * K * Σ_{i = 1}^{n} u_{i} * w_{i}

7)所述流量计将温度传感器连接至计时电路采集温度信息，压力传感器连接至压力测量电路采集压力信息；采集得到的压力、温度值送至微处理器，微处理器根据预先存储的高精度热力学方程式计算密度值ρ，最后得出质量流量Qm。

图6所示为本发明的计时电路图：Y1晶振为芯片主时钟，并且在计时芯片内部，Y1分频后所得的时钟用于驱动气体超生波流量计中的超声波探头，驱动信号由U1的FIRE1管脚发出，同时FIRE1管脚连接到U1的Start管脚上，用于触发芯片开始计时，这样使得计时开始与发射信号同步，提高了计时的精度。Y2晶振为系统的辅助晶振，用于校准系统的时钟误差，系统在每次开机前都要通过Y2进行时钟校准。U2为一个施密特反相器，PT1、PT2、PT3、PT4为热电偶，这些热电偶和U2以及CAP_H形成了一个振荡电路，计时芯片通过测量振荡器中的放电时间，从而测得热电偶的阻值，进而得到当前测量的温度，测量的温度与气体超声波流量计测得的流速关系可得到流过的气体的流量值。

Claims

1.一种高精度时差式超声波流量计，其特征在于，包括流量计管段(50)，所述流量计管段(50)上设有形成第一声道(60)的第一探头(410)、第二探头(420)、第一短管(310)和第二短管(320)，以及形成第二声道(70)的第三探头(430)、第四探头(440)、第三短管(330)和第四短管(340)；所述第一探头(410)和第二探头(420)分别通过螺纹安装在流量计管段(50)上焊接的第一短管(310)和第二短管(320)上；所述第三探头(430)和第四探头(440)分别通过螺纹安装在流量计管段(50)上焊接的第三短管(330)和第四短管(340)上；所述第一声道(60)和第二声道(70)平行交叉布置在流量计管段(50)上，且分别与流量计管段(50)的管轴线(80)成相等夹角0。

2.根据权利要求1所述的高精度时差式超声波流量计，其特征在于，第一至第四探头(410-440)与各自独立的发射电路和接收电路相连，且所有探头实现同步发射及接收超声波信号。

3.根据权利要求2所述的高精度时差式超声波流量计，其特征在于，所述探头的发射电路和接收电路分别连接至各自的计时电路，所述计时电路由计时芯片、微处理器、光耦电路、比较器和晶振组成，所述计时芯片经光耦电路以及信号调理电路连接至比较器，所述计时芯片还与用以提供基准时钟的晶振以及控制计时流程的微处理器连接。

4.根据权利要求3所述的高精度时差式超声波流量计，其特征在于，所述计时电路输入端还连接有温度传感器。

5.根据权利要求1所述的高精度时差式超声波流量计，其特征在于，所述超声波流量计还包括有以太网及USB接口，多台流量计通过网络通信可监测与控制管网的流量。

6.一种基于权利要求1-5中任一项所述的超声波流量计的流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

u_{i} = \frac{l_{i}}{2 \cos θ} (\frac{1}{t_{down}} - \frac{1}{t_{up}})

U = K * Σ_{i = 1}^{n} u_{i} * w_{i}

Q_v＝A*U (1)

Q_{m} = ρ {* Q}_{v} = ρ * K * Σ_{i = 1}^{n} u_{i} * w_{i}