CN103090916A - 一种超声波流量测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供一种超声波流量测量装置及其测量方法，通过改变传统的双射循环发射模式以及传统的计时模块，使在缩短测量总量程的同时精准计算时差，较大的增加了测量的精确度。该超声波流量测量装置由探头发射接收及采集处理模块控制换能器驱动模块实现超声波换能器的开启和关闭，从超声波换能器发出的信号经信号调理模块传送到探头发射接收及采集处理模块，探头发射接收及采集处理模块分别控制时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块的充放电动作，时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块经由模拟多路开关、信号放大电路、A/D转换模块将充放电信号反馈给控制器。

Description

一种超声波流量测量装置及其测量方法

技术领域

本发明创造一种测量工具，具体涉及一种超声波流量测量装置及其测量方法。 

背景技术

超声波用于流量的测量已有将近百年的历史了。根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分为传播速度差法（即直接时差法、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。其中时差法超声波流量计具有以下几个特点：①可使用环境广泛，即流速在每秒几到几十厘米的、管径在1到几米的环境下都可以使用；②对介质几乎无要求，可以测液体、气体的流量，测量准确度几乎不受被测流体压力、密度、粘度等参数的影响；③安装方便、测试操作简单；④对被测流体影响小。综上所述时差法超声波流量计被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。   

一般来说，超声波流量计为了达到不超过整机1%的测量指标，测量的时间差需达到纳秒级，而在测量低流速提示则要求更高，因此需测量的总量程越大，则测量精度越低，如传统的透过式传播速度差法超声波流量计采用双射头循环发射方式。

专利（200710066737.3）公开了一种用于超声波流量计时差交叉检测方法，为了克服测量量程较大、精确度较低的问题，采用发射器发射信号一段时间后才打开信号接收机，通过延时的方式来缩短需要测得的总行程，以达到提高测量精度的目的。由于上述测量方法中的正向传播时间和逆向传播时间是分时实现的，因此容易出现因延时而导致产生误差的问题。

为了简化测量方法，降低对发射电压的要求，同时减小由延时带来的测量误差，专利（200820038526.9）公开了同步收发时差式超声波流量计，该技术方案采用正逆向换能器同时发射超声波信号，经一定延时后同时打开信号接收机，利用互相关技术对接收到的信号进行处理，一次性得到正向传播时间和逆向传播时间，若遇到流速很慢时，则误差明显较大。针对流速很慢的情况虽有解决措施，但是使得测量方法变的复杂化了。

上述两个专利公开的技术方案专利（200710066737.3）和专利（200820038526.9），由于均采用互相关法计算测量时间差使得测量成本较高。上述两个专利公开的技术方案均采用测量正向传播时间和逆向传播时间以及采用延时的方式来缩短测量的总量程，以提高测量精度，因此时间测量的准确度将直接影响流量计的测量精度。专利（200910181630.2）公开了一种提高时差式超声波流量计精度的方法，该技术方案虽可以提高流量计的测量精度，但是由于采用的计数方法比较难实现，如需达到测量标准则需要1000g大小的容量，因此不能被广泛采用。

发明创造内容

本发明创造的目的是提供一种超声波流量测量装置及其测量方法，通过改变传统的双射循环发射模式以及传统的计时模块，使在缩短测量总量程的同时精准计算时差，较大的增加了测量的精确度。 

本发明创造的具体技术方案如下：一种超声波流量测量装置，包括分别在管外上游和下游安装的超声波换能器，由探头发射接收及采集处理模块控制换能器驱动模块实现超声波换能器的开启和关闭，从超声波换能器发出的信号经信号调理模块传送到探头发射接收及采集处理模块，探头发射接收及采集处理模块分别控制时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块的充放电动作，时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块经由模拟多路开关、信号放大电路、A/D转换模块将充放电信号反馈给控制器，由控制器控制探头发射接收及采集处理模块的运行。

所述时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块的内部均包括控制开关Ⅰ、充电参考电源、压控电流源和控制开关Ⅱ，上述部件顺次连接并与探头发射接收及采集处理模块构成充放电信号的控制回路，充电电容并联在控制开关Ⅱ的两端。

上述超声波流量测量装置的测量方法，包括以下步骤：

（1）    首先控制器向探头发射接收及采集处理模块发出一个开始测量的信号，同时向探头发射接收及采集处理模块发出控制信号使时间差采集模块中的充电电容放电至电荷量为零，使顺流传播时间采集模块和逆流传播时间采集模块中的充电电容开始充电；

（2）    与步骤（1）同时进行的，探头发射接收及采集处理模块控制换能器驱动模块使超声波换能器同时发射超声波；

（3）    超声波换能器先接收到顺流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块、信号调理模块及探头发射接收及采集处理模块处理后控制时间差采集模块中的充电电容开始充电，同时顺流传播时间采集模块中的充电电容停止充电，通过顺流传播时间采集模块中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到顺流传播时间T1`；

（4）    一段时间之后，超声波换能器接收到逆流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块、信号调理模块及探头发射接收及采集处理模块处理后控制时间差采集模块中的充电电容停止充电，同时逆流传播时间采集模块中的充电电容停止充电，通过逆流传播时间采集模块中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到逆流传播时间T2`；

（5）    测量时间差采集模块中充电电容的电压，通过电压和充电时间成正比计算得出充电时间，即顺流传播时间和逆流传播时间的时间差Δt；

（6）    设两个换能器的水平间距为d，超声波在声楔中的入射角为α，在静水条件下，超声波在静止流体中的速度为c，流体的平均速度为v，超声波在被测流体中的顺流传播时间T1和逆流传播时间T2，则有

                                                 

。

由于超声波在流体中的实际速度为

，在被测流体中的顺流传播时间T1`和逆流传播时间T2`，则有

。

本发明创造的有益效果：1．采用双探头同时发射超声波，可直接测量出时间差，并不需要用到超声波顺流传播时间和超声波的逆流传播时间，因此缩短了需测量的总行程，提高了测量精度，同时使得测量电路简单化；2．通过电容的充电时间决定得到的时间差，即电容在探头发射接收及采集处理模块收到第一个返回信号时开始充电，在探头发射接收及采集处理模块接收到第二个返回信号时停止充电，利用电容充电时间与时间差相等，并通过电容的电压经过控制器的处理来计算出电容充电时间，即可得到时间差，该方法解决了一般超声波流量计采用延时而导致出现误差的问题；3．本技术方案可测量出超声波在管道中的正向传播时间和逆向传播时间，从而计算出实际测量时超声波的速度，用此测量出的速度进行流体速度的计算，可使测量结果不受限于水温环境，使测量精度和准确度更高。

附图说明

图1是本发明创造超声波流量测量装置的系统框图。

图2是时间差采集模块、顺流传播时间采集模块或逆流传播时间采集模块的系统框图。

图3是本发明创造在工作时的时序图。

具体实施方式

如图1所示，一种超声波流量测量装置，包括分别在管外1上游和下游安装的超声波换能器2和3，由探头发射接收及采集处理模块8控制换能器驱动模块4和5实现超声波换能器2和3的开启和关闭，从超声波换能器2和3发出的信号经信号调理模块6和7传送到探头发射接收及采集处理模块8，探头发射接收及采集处理模块8分别控制时间差采集模块13、顺流传播时间采集模块14及逆流传播时间采集模块15的充放电动作，时间差采集模块13、顺流传播时间采集模块14及逆流传播时间采集模块15经由模拟多路开关2、信号放大电路11、A/D转换模块10将充放电信号反馈给控制器9，由控制器9控制探头发射接收及采集处理模块8的运行。

如图2所示，所述时间差采集模块13、顺流传播时间采集模块14及逆流传播时间采集模块15的内部均包括控制开关Ⅰ16、充电参考电源17、压控电流源18和控制开关Ⅱ20，上述部件顺次连接并与探头发射接收及采集处理模块8构成充放电信号的控制回路，充电电容19并联在控制开关Ⅱ20的两端。

如图3所示，上述超声波流量测量装置的测量方法，包括以下步骤：

（1）    首先控制器9向探头发射接收及采集处理模8块发出一个开始测量的信号，同时向探头发射接收及采集处理模块8发出控制信号使时间差采集模块13中的充电电容放电至电荷量为零，使顺流传播时间采集模块14和逆流传播时间采集模块15中的充电电容开始充电；

（2）    与步骤（1）同时进行的，探头发射接收及采集处理模块8控制换能器驱动模块4和5使超声波换能器2和3同时发射超声波；

（3）    超声波换能器2先接收到顺流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块4、信号调理模块6及探头发射接收及采集处理模块8处理后控制时间差采集模块13中的充电电容开始充电，同时顺流传播时间采集模块14中的充电电容停止充电，通过顺流传播时间采集模块14中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到顺流传播时间T1`；

（4）    一段时间之后，超声波换能器3接收到逆流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块5、信号调理模块7及探头发射接收及采集处理模块8处理后控制时间差采集模块13中的充电电容停止充电，同时逆流传播时间采集模块15中的充电电容停止充电，通过逆流传播时间采集模块14中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到逆流传播时间T2`；

（5）    测量时间差采集模块13中充电电容的电压，通过电压和充电时间成正比计算得出充电时间，即顺流传播时间和逆流传播时间的时间差Δt；

（6）    设两个换能器的水平间距为d，超声波在声楔中的入射角为α，在静水条件下，超声波在静止流体中的速度为c，流体的平均速度为v，超声波在被测流体中的顺流传播时间T1和逆流传播时间T2，则有

。

由于超声波在流体中的实际速度为

，在被测流体中的顺流传播时间T1`和逆流传播时间T2`，则有

。

由于波的独立传播原理：两列波相遇前、相遇过程中和相遇后不发生任何变化,因此通过测量超声波在被测流体中的顺逆流传播时间差，便可以测量流体的流速。因此本发明创造设计在管外上、下游分别安装了一个超声波换能器，通过控制其同时发射和接收超声脉冲、测量超声波在流体中的顺、逆流传播速度的时间差实现流量测量。

测量时，控制器9向探头发射接收及采集处理模块8发出一个开始测量的信号，探头发射接收及采集处理模块8接收到信号后立即向时间差采集模块13发出放电信号，使时间差采集模块13中的电容放电，向其他两个采集模块（顺流传播时间采集模块14和逆流传播时间采集模块15）发出一个充电信号。此时顺流传播时间采集模块14和逆流传播时间采集模块15将对他们的充电电容开始充电。同时，探头发射接收及采集处理模块8会同时向两个换能器驱动模块4和5发出信号，接到信号后两个换能器会同时发出超声波，超声波经过流体的传播后，超声波换能器2会先接收到顺流传播的超声波并将信号传给信号调理模块6，信号经过信号调理模块6的处理后传送到探头发射接收及采集处理模块8，探头发射接收及采集处理模块8在接到信号后会立即发送一个信号给时间差采集模块13，时间差采集模块13开始给电容充电，顺流传播时间采集模14块将停止给自己的电容充电；之后，超声波换能器3会接收到逆流传播的超声波会并发出信号给信号调理模块7，信号经过信号调理模块7的处理后传送到探头发射接收及采集处理模块8，探头发射接收及采集处理模块8在接到信号后会立即发送一个信号给时间差采集模块13和逆流传播时间采集模块15，时间差采集模块13就会停止给自己的电容充电；逆流传播时间采集模块15也将停止给自己的电容充电。测量时间差采集模块13的电容电压，由于电压和充电时间成正比，则可由电压得知充电时间，即时间差Δt。测量顺流传播时间采集模14和逆流传播时间采集模块15的电容电压，同样由于电压和充电时间成正比，则可由电压得知充电时间，即顺流传播时间和逆流传播时间

，进而计算出实际测量时超声波的速度，使测量结果不受限于水温环境，使测量精度和准确度更高。 

Claims (3)

1.一种超声波流量测量装置，其特征在于：包括分别在管外（1）上游和下游安装的超声波换能器（2、3），由探头发射接收及采集处理模块（8）控制换能器驱动模块（4、5）实现超声波换能器（2、3）的开启和关闭，从超声波换能器（2、3）发出的信号经信号调理模块（6、7）传送到探头发射接收及采集处理模块（8），探头发射接收及采集处理模块（8）分别控制时间差采集模块（13）、顺流传播时间采集模块（14）及逆流传播时间采集模块（15）的充放电动作，时间差采集模块（13）、顺流传播时间采集模块（14）及逆流传播时间采集模块（15）经由模拟多路开关（2）、信号放大电路（11）、A/D转换模块（10）将充放电信号反馈给控制器（9），由控制器（9）控制探头发射接收及采集处理模块（8）的运行。

2.如权利要求1所述的一种超声波流量测量装置，其特征在于：所述时间差采集模块（13）、顺流传播时间采集模块（14）及逆流传播时间采集模块（15）的内部均包括控制开关Ⅰ（16）、充电参考电源（17）、压控电流源（18）和控制开关Ⅱ（20），上述部件顺次连接并与探头发射接收及采集处理模块（8）构成充放电信号的控制回路，充电电容（19）并联在控制开关Ⅱ（20）的两端。

3.一种如权利要求1所述超声波流量测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1） 首先控制器（9）向探头发射接收及采集处理模块（8）发出一个开始测量的信号，同时向探头发射接收及采集处理模块（8）发出控制信号使时间差采集模块（13）中的充电电容放电至电荷量为零，使顺流传播时间采集模块（14）和逆流传播时间采集模块（15）中的充电电容开始充电；

（2） 与步骤（1）同时进行的，探头发射接收及采集处理模块（8）控制换能器驱动模块（4、5）使超声波换能器（2、3）同时发射超声波；

（3） 超声波换能器（2）先接收到顺流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块（4）、信号调理模块（6）及探头发射接收及采集处理模块（8）处理后控制时间差采集模块（13）中的充电电容开始充电，同时顺流传播时间采集模块（14）中的充电电容停止充电，通过顺流传播时间采集模块（14）中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到顺流传播时间                                                

；

（4） 一段时间之后，超声波换能器（3）接收到逆流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块（5）、信号调理模块（5）及探头发射接收及采集处理模块（8）处理后控制时间差采集模块（13）中的充电电容停止充电，同时逆流传播时间采集模块（15）中的充电电容停止充电，通过逆流传播时间采集模块（14）中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到逆流传播时间

；

（5） 测量时间差采集模块（13）中充电电容的电压，通过电压和充电时间成正比计算得出充电时间，即顺流传播时间和逆流传播时间的时间差Δt；

（6） 设两个换能器的水平间距为d，超声波在声楔中的入射角为

，在静水条件下，超声波在静止流体中的速度为c，流体的平均速度为v，超声波在被测流体中的顺流传播时间T1和逆流传播时间T2，则有

，

由于超声波在流体中的实际速度为，在被测流体中的顺流传播时间T1`和逆流传播时间T2`，则有

 。

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