CN103162752A - 用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置及方法。采用一对超声波换能器和作为发射和接收信号探头组并将两个换能器分别安装于管线两侧并相距一定距离；该同步时差检测方法的一个测量周期包括两个过程：控制两个超声波换能器同时作为发射端发射不同频率的13位巴克码信号；控制两个超声波换能器停止发射信号等待接收信号，利用相关处理方法可精确测量并记录第一超声波换能器发射信号到达第二超声波换能器的时间以及第二超声波换能器发射信号到达第一超声波换能器的时间。根据这些数据，结合几何信息计算出流速和流量。与传统时差法相比，本发明提供的检测方法可利用满足时差法超声波流量计对于高测量精度的需求。

Description

用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置及方法

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的相位编码同步时差检测装置及方法。

背景技术

相对于机械式流量计和电磁式流量计，超声波流量计有着诸多优点：计量精度高、对管径的适应性强、非接触式测量、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信号处理技术的发展，超声波流量计的性能有了很大提高，同时制造成本也大幅度下降，因此超声波流量计在工业领域以及日常生活中得到了广泛应用。

目前在超声波流量计的设计中大多采用时差法进行信号检测，下面对时差法超声波流量计的检测原理进行简单介绍。时差法超声波流量计工作原理如附图1所示，它是利用一对超声波换能器收发超声波，通过测量超声波在流体中顺流与逆流的传播时间差来测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

附图1中有两个超声波换能器：换能器A和换能器B，两个换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定的距离，管线的内直径为D，超声波传播的路径长度为L，超声波顺流传播的时间为t₁，逆流传播的时间为t₂，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所用的时间短，流速测量原理可以用下式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{t}_1=\frac{L}{c+V\cos \mathrm{\θ}}\\ t_2=\frac{L}{c-V\cos \mathrm{\θ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：c是超声波在流体介质中的传播速度，V是目标流体的流动速度。

将式（1）中两式相减可以得到顺流传播和逆流传播的时间差Δt：

$\mathrm{\Δt}=t_2-t_1=\frac{2\mathrm{VL}\cos \mathrm{\θ}}{c^2-V^2{\cos }^2\mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

由于流体流速和超声波在介质中的传播速度相比是个极小量，因此式（2）可以简化为：

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

从而得出流体的流速为：

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

测得流速后，通过计算管道的截面积，可得出管内流量为：

$Q=V*\mathrm{\π}\frac{D^2}{4}---\left(5\right)$

其中：Q为流量，V为流速，D为管线的内直径。

现有的时差法超声波流量计在进行时差检测时，通常采用下面的两种方法：方法一：采用一对超声波换能器A和换能器B（如附图1所示），检测过程如下：

1）超声波换能器A作为发射端，换能器B作为接收端，控制换能器A发射信号，然后检测换能器B接收到的信号，得出超声波在流体中顺流传播的时间t₁；

2）超声波换能器B作为发射端，换能器A作为接收端，控制换能器B发射信号，然后检测换能器A接收到的信号，得出超声波在流体中逆流传播的时间t₂；

3）计算出超声波顺流和逆流传播的时间差Δt=t₂-t₁。

方法二：采用两对超声波换能器A和换能器B，换能器C和换能器D（如附图2所示），检测过程如下：

1）超声波换能器A作为发射端，换能器B作为接收端，控制换能器A发射信号，然后检测换能器B接收到的信号，得出超声波在流体中顺流传播的时间t₁；同时超声波换能器C作为发射端，换能器D作为接收端，控制换能器C发射信号，然后检测换能器D接收到的信号，得出超声波在流体中逆流传播的时间t₂；

2）计算出逆流传播时间和顺流传播的时间差Δt=t₂-t₁。

考虑到实际中的应用情况，分别从测量精度、功耗和制造成本三方面分析现有的两种时差检测方法存在的不足：

方法一测量得出一个时差值需要超声波在目标流体中进行一次往返的传播，如果目标流体的流速不均匀同时变化比较频繁，那么方法一测量得到的时差值实时性就不高，由此计算出的流速实时性也不高，最后计算得出的流量精度也不高。

方法二使用两对超声波换能器进行测量，这样虽然可以缩短测量得出一个时差值的时间，但是增加了控制和检测电路的复杂度，同时也会加大了整个流量计的功耗，在实际应用中功耗也是设计中必须考虑的一个重要指标。

在实际应用中，制造成本也是衡量一个设计好坏的重要标准，方法二使用了两对换能器，同时控制和检测电路复杂度很高，在增加功耗的同时，也增加了制造成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置及方法。要解决的主要问题是如何使时差法超声波流量计同时满足测量精度高、功耗低的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提出了一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置，包括：第一超声波换能器、第二超声波换能器、第一相关器、第二相关器、第一显示器、第二显示器、码产生器；第一超声波换能器和第二超声波换能器，通过螺栓固定在流体管线管壁的两侧并相互错开，管线的内直径为D，超声波传播的路径长度为L（L＞D），超声波传播的方向与流体的流动方向夹角为θ（0°＜θ＜90°），第一超声波换能器与第一相关器连接，第二超声波换能器与第二相关器连接，第一相关器与第一显示器连接，第二相关器与第二显示器连接，码产生器分别与第一超声波换能器、第二超声波换能器、第一相关器、第二相关器连接。

第一超声波换能器和第二超声波换能器为完全相同的超声波换能器；第一相关器和第二相关器为两个完全相同的相关器；显示器和显示器为两个完全相同的显示器。

相关器由若干条相同的支路并联组成，每条支路由一个乘法器和一个低通滤波器串联组成。

超声波换能器采用杭州安布雷拉自动化科技有限公司的200K-75KHz水声换能器，型号为XIHUW-75/200-E。

一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测方法，步骤如下：

第一步：码产生器产生13位巴克码信号以及与13位巴克码信号对应的不同的时间延时，将与13位巴克码信号对应的不同的时间延时作为不同的参考信号，并对应不同的时间；码产生器将产生13位巴克码信号分别传递给第一超声波换能器和第二超声波换能器，并将参考信号分别传递给第一相关器、第二相关器。

第二步：第一超声波换能器和第二超声波换能器同时作为发射端发射码产生器产生13位巴克码信号。

第三步：第一超声波换能器作为接收端接收第二超声波换能器发射的信号，第二超声波换能器作为接收端接收第一超声波换能器发射的信号。

第四步：在相关器中，当接收到的13位巴克码信号在流体中的传播时间与码产生器的延迟时间相同，则该支路的输出信号最大，对应距离自相关函数的主峰，此时该支路所对应的延迟时间即为超声波在流体中的传播时间，顺流传播时间记为t₁和逆流传播时间记为t₂。

第五步：计算出超声波顺流和逆流传播的时间差Δt=t₂-t₁。

第六步：利用第五步中计算出的时间差Δt，根据可以计算出被测流体的流速V。

第七步：利用第六步中得出的被测流体的流速V，根据可以计算出流体流量Q。

本发明具有的有益效果是：

和通常所采用的时差检测方法不同，本发明提供的用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置及方法可以减小超声波在介质中传播速度变化的影响，同时采用相关处理法测量超声波顺流传播和逆流传播时间，可显著提高超声波流量计的测量精度。与传统时差检测方法相比，本发明也满足低功耗的需求，为时差法超声波流量计的设计提供了一种更为适用的检测方法。该方法发射的是不同频率的超声波信号，可有效避免超声波在相互传播中产生驻波对测量结果造成的影响。

附图说明

图1是时差法超声波流量计的测量原理示意图。

图2是采用两对超声波换能器实现时差法超声波流量计的测量原理示意图。

图3是相位编码调制同步时差检测法超声波流量计的测量原理示意图。

图4是相关处理原理示意图。

图5是13位巴克码的自相关函数。

图6是显示器输出的距离自相关函数。

具体实施方式

结合图3、图4和图5，本发明提出了一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置，包括：第一超声波换能器1、第二超声波换能器2、第一相关器3、第二相关器4、第一显示器5、第二显示器6、码产生器7；第一超声波换能器1和第二超声波换能器2，通过螺栓固定在流体管线管壁的两侧并相互错开，管线的内直径为D，超声波传播的路径长度为L（L＞D），超声波传播的方向与流体的流动方向夹角为θ（0°＜θ＜90°），第一超声波换能器1与第一相关器3连接，第二超声波换能器2与第二相关器4连接，第一相关器3与第一显示器5连接，第二相关器4与第二显示器6连接，码产生器7分别与第一超声波换能器1、第二超声波换能器2、第一相关器3、第二相关器4连接。

第一超声波换能器1和第二超声波换能器2为完全相同的超声波换能器；第一相关器3和第二相关器4为两个完全相同的相关器；显示器5和显示器6为两个完全相同的显示器。

相关器由若干条相同的支路并联组成，每条支路由一个乘法器和一个低通滤波器串联组成。

超声波换能器采用杭州安布雷拉自动化科技有限公司的200K-75KHz水声换能器，型号为XIHUW-75/200-E。

一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测方法，步骤如下：

第一步：码产生器产生13位巴克码信号以及与13位巴克码信号对应的不同的时间延时，将与13位巴克码信号对应的不同的时间延时作为不同的参考信号，并对应不同的时间；码产生器将产生13位巴克码信号分别传递给第一超声波换能器1和第二超声波换能器2，并将参考信号分别传递给第一相关器3、第二相关器4。

第二步：第一超声波换能器1和第二超声波换能器2同时作为发射端发射码产生器产生13位巴克码信号。

第三步：第一超声波换能器1作为接收端接收第二超声波换能器2发射的信号，第二超声波换能器2作为接收端接收第一超声波换能器1发射的信号。

第四步：在相关器中，当接收到的13位巴克码信号在流体中的传播时间与码产生器的延迟时间相同，则该支路的输出信号最大，对应距离自相关函数的主峰，此时该支路所对应的延迟时间即为超声波在流体中的传播时间，顺流传播时间记为t₁和逆流传播时间记为t₂。

第五步：计算出超声波顺流和逆流传播的时间差Δt=t₂-t₁。

第六步：利用第五步中计算出的时间差Δt，根据公式（4），可以计算出被测流体的流速V。

第七步：利用第六步中得出的被测流体的流速V，根据公式（5），可以计算出流体流量Q。

实施例：设定待测流体管线内直径为3m，超声波传播的路径长度为5m，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为36.87°，超声波在流体中的传播速度为1600m/s，码产生器生成的13位巴克码信号序列为[1 1 1 1 1-1-1 1 1-1 1-1 1]，同时产生13位巴克码参考信号的不同延时为2500μs、2501μs、2502μs、…、3500μs。

第一步：将第一超声波换能器1和第二超声波换能器2分别安装在管线管壁的两侧且相互错开；码产生器7产生13位巴克码信号以及与13位巴克码信号对应的不同的时间延时，将与13位巴克码信号对应的不同的时间延时作为不同的参考信号，并对应不同的时间；码产生器7将产生13位巴克码信号分别传递给第一超声波换能器1和第二超声波换能器2，并将参考信号分别传递给第一相关器3、第二相关器4；

第二步：第一超声波换能器1和第二超声波换能器2同时作为发射端发射码产生器产生13位巴克码信号；

第三步：第一超声波换能器1作为接收端接收第二超声波换能器2发射的信号，第二超声波换能器2作为接收端接收第一超声波换能器1发射的信号；

第四步：在第一相关器3中，时间延时为3156μs的参考信号输出最大距离自相关函数峰值，因此测得第二超声波换能器2的发射信号到达第一超声波换能器1的传播时间为3156μs，即逆流传播时间t₂为3156μs；在第二相关器4中，时间延时为3094μs的参考信号输出最大距离自相关函数峰值，因此测得第一超声波换能器1的发射信号到达第二超声波换能器2的传播时间为3094μs，即顺流传播时间t₁为3094μs。其中显示器输出的距离自相关函数如图6所示。

第五步：计算出超声波顺流和逆流传播的时间差Δt为62μs。

第六步：根据公式（4），可以计算出被测流体的流速V为19.84m/s。

第七步：根据公式（5），可以计算出流体流量Q为140.2406m³/s。

Claims (4)

1.一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置，包括：第一超声波换能器（1）、第二超声波换能器（2）、第一相关器（3）、第二相关器（4）、第一显示器（5）、第二显示器（6）、码产生器（7），其特征在于：第一超声波换能器（1）和第二超声波换能器（2），通过螺栓固定在流体管线管壁的两侧并相互错开，管线的内直径为D，超声波传播的路径长度为L，且L＞D，超声波传播的方向与流体的流动方向夹角为θ，其中0°＜θ＜90°，第一超声波换能器（1）与第一相关器（3）连接，第二超声波换能器（2）与第二相关器（4）连接，第一相关器（3）与第一显示器（5）连接，第二相关器（4）与第二显示器（6）连接，码产生器（7）分别与第一超声波换能器（1）、第二超声波换能器（2）、第一相关器（3）、第二相关器（4）连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置，其特征在于：第一超声波换能器（1）和第二超声波换能器（2）为完全相同的超声波换能器；第一相关器（3）和第二相关器（4）为两个完全相同的相关器；显示器（5）和显示器（6）为两个完全相同的显示器。

3.根据权利要求1所述的一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置，其特征在于：相关器由若干条相同的支路并联组成，每条支路由一个乘法器和一个低通滤波器串联组成。

4.基于权利要求1所述的一种用于超声波流量计的相位编码同步时差检测装置的检测方法，其特征在于，步骤如下：

第一步：码产生器产生13位巴克码信号以及与13位巴克码信号对应的不同的时间延时，将与13位巴克码信号对应的不同的时间延时作为不同的参考信号，并对应不同的时间；码产生器（7）将产生13位巴克码信号分别传递给第一超声波换能器（1）和第二超声波换能器（2），并将参考信号分别传递给第一相关器（3）、第二相关器（4）；

第二步：第一超声波换能器（1）和第二超声波换能器（2）同时作为发射端发射码产生器产生13位巴克码信号；

第三步：第一超声波换能器（1）作为接收端接收第二超声波换能器（2）发射的信号，第二超声波换能器（2）作为接收端接收第一超声波换能器（1）发射的信号；

第四步：在相关器中，当接收到的13位巴克码信号在流体中的传播时间与码产生器的延迟时间相同，则该支路的输出信号最大，对应距离自相关函数的主峰，此时该支路所对应的延迟时间即为超声波在流体中的传播时间，顺流传播时间记为t₁和逆流传播时间记为t₂；

第五步：计算出超声波顺流和逆流传播的时间差Δt=t₂-t₁；

第六步：利用第五步中计算出的时间差Δt，根据

可以计算出被测流体的流速V，其中c是超声波在流体介质中的传播速度；

第七步：利用第六步中得出的被测流体的流速V，根据

可以计算出流体流量Q，其中D为流体管线的内直径。

Images