CN103344288B - 一种基于零点分析的时差式超声波流量计测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于零点分析的时差式超声波流量计的测量方法，其是通过零点分析法准确确定顺逆流传播时间的方法，其方法为:（1）发出脉冲驱动信号后，启动A/D转换进行数据采集；（2）寻找零点值；（3）判断是否为超声波信号过零点；（4）选取超声波接收信号中的第一个过零点来确定超声信号到达时刻，计算出顺逆流传播时间；（5）通过顺逆流传播时间计算所测断面的瞬时流量。本发明的超声波信号零点不受外部环境的影响，即使在信号较弱、波动较大以及干扰强烈的情况下，均能检测到零点，准确测量出超声波信号在流体中的顺逆流传播时间，极大地提高了时差法超声波流量计的计量精度，彻底解决现有阈值比较法带来的问题。

Description

一种基于零点分析的时差式超声波流量计测量方法

技术领域

本发明涉及的是超声波流量计测量方法，特别是涉及一种基于零点分析的时差式超声波流量计测量方法。

背景技术

超声波流量计无可动部件，可以实现非接触高精度测量，具有量程宽、无压损、溯源性好、成本对口径变动不敏感等优点，可用于测量圆管、方涵、明渠等各种断面中液体或气体流量的测量，尤其在中大管径流量测量方面具有明显优势。

超声波流量计发展至今，在众多种测量方法中，时差法超声波流量计具有测量方式简单和计量精度高等优点，一直备受关注。时差法超声波流量计其原理是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速，从而计算出流量。

目前，时差式超声波流量计都是采用基于阈值比较方式来获得流体中顺逆流超声波传播时间。时差法超声波流量计工作原理如图1所示，这是一个有压管道的流量测量示意图，其中“CPU”控制整个测量过程，“发射电路”用于向换能器发射脉冲驱动信号，“信号收发转换电路”控制各换能器工作在发射状态还是接收状态，“滤波放大电路”滤除接收波形中噪声并调整波形幅值大小，之后一路送给“阈值比较电路”用于确定超声传播时间，另一路送给“A/D转换”对波形进行数字量化并提供给CPU作进一步处理。

超声波换能器A和B为同一声路中的一对换能器，当其中一个用作发射换能器时，另一个则作为接收换能器。如图所示，当超声波顺流从换能器A发出到换能器B收到所经历的时间则为顺流传播时间Tu，当超声波逆流从换能器B发出到换能器A收到所经历的时间则为逆流传播时间Td。

超声波信号在流体中传播，顺流时传播速度较逆流时传播速度快，相应的其顺流传播时间Tu就较逆流传播时间Td短，从而顺逆流方向声波信号传播时间存在差值（即时差）。时差法超声波流量计就是根据流体流速与时差存在线性关系原理进行测量的，只要准确测定顺逆流时间，就可求出瞬时流速：

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\α}}\×(\frac{1}{T_u}-\frac{1}{T_d})$ 公式1

其中α为流速与超声波传播路径的夹角，如果所测断面面积为S，进而可以求出该断面的瞬时流量：

Q＝V×S

从公式1中可看出，时差式超声波流量计的关键是如何得到准确的顺逆流传播时间。

在图2(a)中，横坐标轴为时间t，纵坐标轴为超声波接收信号幅值V，在通常所用的阈值比较法中，顺逆流传播时间T是从向发射换能器发出脉冲驱动信号时起，到接收换能器所接收信号首次切割阈值电平时止，所经历的时间。

而目前在实际测量过程中，由于复杂的外界环境会影响接收到的超声波信号，会使超声波接收信号幅值发生波动，轻的会使传播时间的测量产生误差，严重的可能测不到传播时间，如果出现较大的干扰，还会使测量出现错误；其具体容易出现的以下3种情况：

①如果噪声干扰强烈，噪声幅值大于阈值，传播计数将被提前终止，得到错误的传播时间，如图2(b)所示；

②如果超声波接收信号变的过弱，最大幅值处在阈值以下时，传播计数将会溢出，无法测得准确的传播时间，如图2(c)所示；

③如果超声波接收信号有波动，阈值电压首次与接收信号切割时刻点会发生漂移，导致传播时间测量不准确，从而影响时差式超声波流量计的动态计量精度。如图2(d)所示，因信号波动，阈值均有可能在a、b、c等处首次与超声波接收信号切割，得到不同的传播时间。

本发明的目的就是要找到一种新的方法，解决现有技术上不足。

发明内容

为克服现有技术上的不足，本发明目的是在于提供一种基于零点分析的时差式超声波流量计测量方法，在信号较弱、波动较大以及干扰强烈的情况下，都能检测到零点，准确测量出超声波信号在流体中的顺逆流传播时间，极大地提高了时差法超声波流量计的计量精度，彻底解决现有阈值比较法带来的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于零点分析的时差式超声波流量计的测量方法，其特征在于，其方法为:根据时差式超声波流量计的接收换能器接收到超声波信号时，就会在其电极两端产生并输出电信号y(t)，即

其中，r(t)为关于时间t的调制函数，f₀为换能器固有谐振频率，φ为初始相位，

设初始相位φ为零，其根据cos(2πf₀t)函数图像寻找超声波接收信号中的第一个零点超声信号到达时刻点;

（1）脉冲驱动信号数据采集；

发出脉冲驱动信号后，启动时差式超声波流量计的A/D转换进行数据采集，采集数据个数i，所采集的数据时刻点Z_i,其中，i为自然数；

（2）寻找零点值；

将采集的i个数据进行零点分析，判断Z_i是否为过零点，若Z_i满足过零法则条件之一，则判断为过零点；反之，则否,返回步骤（1）进行继续采集；

所述过零法则条件如下：

①当前点幅值等于0；

②当前点幅值小于0但下一个点幅值大于0；

③当前点幅值大于0但下一个点幅值小于0；

（3）至少选择3个相邻过零点，并判断是否为超声波信号过零点；

通过上述步骤（2）的过零分析后，至少选取三个过零点Z_q-1、Z_q、Z_q+1，其中，q为自然数，且1≤q≤i-1;

当Z_q-1、Z_q、Z_q+1同时满足超声波零点分析法条件时，则Z_q-1、Z_q、Z_q+1判断为超声波信号过零点，上述超声波零点分析法条件如下：

A.超声波信号半波长*（1-δ₁）≤Z_q-1与Z_q间半波长≤超声波信号半波长*（1+δ₁）；

B.超声波信号半波长*（1-δ₂）≤Z_q与Z_q+1间半波长≤超声波信号半波长*（1+δ₂）；

C.Z_q-1与Z_q间半波极性≠Z_q与Z_q+1间半波极性；

其中，δ₁和δ₂是换能器导致的超声波信号正负半波的误差率；

当不满足上述超声波零点分析法则条件，则选取下一相邻点继续超声波零点分析法条件判断，若所有过零点均未满足超声波零点分析法则条件，则返回步骤（1）；

（4）选取超声波接收信号中的第一个过零点来确定超声信号到达时刻，计算顺逆流传播时间；

根据上述步骤（4）,选取Z₀、Z₁、Z₂为相邻的3个超声波信号过零点，其中，Z₀为超声波接收信号中启动A/D转换进行数据采集的第一个超声波过零时刻点；则顺逆流传播时间T，

即

T＝T_g+T_z

其中，T_g是从发出脉冲驱动信号到启动A/D转换进行数据采集前的时间，T_z是从启动A/D转换进行数据采集后到出现第一个超声波过零时刻点Z₀间的时间。

（5）然后通过精确测量的顺逆流传播时间计算断面的瞬时流量;

时差式超声波流量计根据公式1计算瞬时流速V：

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\α}}\×(\frac{1}{T_g}-\frac{1}{T_z})$ 公式1

其中α为流速与超声波传播路径的夹角，

进而可以计算出断面的瞬时流量Q：

Q＝V×S

其中，S为所测断面面积。

本发明通过超声波信号零点分析法，超声波信号零点不受外部环境的影响，即使信号波形过弱或信号波形幅值出现大的波动，也不影响零点的检测；如果出现的强干扰信号，由于不满足零点分析法的条件，被直接过滤，也不影响零点的检测，在信号较弱、波动较大以及干扰强烈的情况下，都能检测到零点，准确测量出超声波信号在流体中的顺逆流传播时间，极大地提高了时差法超声波流量计的计量精度，彻底解决现有阈值比较法带来的问题。

附图说明

图1是现有时差式超声波流量计的测量原理示意图；

图2是现有时差式超声波流量计的接收换能器接收的脉冲波示意图；

图3是本发明的时差式超声波流量计的接收换能器接收的超声波示意图；

图4为本发明的零点分析方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合管道中流量测量为具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明主要是准确测量顺逆流传播时间T，其提供的一种基于零点分析的时差式超声波流量计的测量方法,超声波信号在流体中传播，顺流时传播速度较逆流时传播速度快，相应的其顺流传播时间T_u就较逆流传播时间T_d短，从而顺逆流方向声波信号传播时间存在差值（即时差）。时差法超声波流量计就是根据流体流速与时差存在线性关系原理进行测量的，只要准确测定顺逆流时间，就可求出瞬时流速：

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\α}}\×(\frac{1}{T_u}-\frac{1}{T_d})$ 公式1

其中α为流速与超声波传播路径的夹角，如果管道面积为S，进而可以求出管道的瞬时流量：

Q＝V×S

从公式1中可看出，时差式超声波流量计的关键是如何得到准确的顺逆流传播时间。

因此，本实施例通过研究，当接收换能器接收到超声波信号时，就会在其电极两端产生并输出电信号y(t)，即

其中，r(t)为关于时间t的调制函数，f₀为换能器固有谐振频率，φ为初始相位，为了讨论方便，设初始相位φ为零。当t=(2k+1)/4f₀（k为整数）时，y的值为零，该时刻点称为零点，超声波在流体中传播时，环境噪声主要影响调制信号r(t)部分，对cos(2πf₀t)部分没有影响，因此零点不受调制信号r(t)的影响，即不受信号y(t)的幅值波动影响。

根据这一特性，把cos(2πf₀t)的第一个零点作为判断接收超声信号到达的标志，可以很好的解决由于环境噪声而导致到达时刻错判的问题，从而能准确测量顺逆流传播时间，克服了阈值比较法的不足。

参见图4，本实施例的基于零点分析的时差式超声波流量计的测量方法，其方法步骤如下：

（1）脉冲驱动信号数据采集；

发出脉冲驱动信号后，启动时差式超声波流量计的A/D转换进行数据采集，采集数据个数i，所采集的数据时刻点Z_i,其中，i为自然数，而且i为接收信号中待分析数据的编号。

实际接收超声波信号时，应在第一个过零点Z₀达到时提前启动“A/D转换”进行数据采集。

（2）寻找零点值；

将采集的i个数据进行零点分析，Z_i判断Z_i是否为过零点，若Z_i满足过零法则条件之一，则判断为过零点；反之，则否,返回步骤（1）进行继续采集；

由于信号经“A/D转换”量化不能完全代表原始信号，因而凡是满足以下任一情况即过零法则的数据点都认为是零点：

①当前点幅值等于0；

②当前点幅值小于0但下一个点幅值大于0；

③当前点幅值大于0但下一个点幅值小于0。

（3）至少选择3个相邻过零点，并判断是否为超声波信号过零点；使用时，至少有3个相邻的过零点来判断是否为超声波信号；

通过上述步骤（2）的过零分析后，至少选取三个过零点Z_q-1、Z_q、Z_q+1，其中，q为自然数，且1≤q≤i-1;

超声波信号与噪声相比具有固定波长和频率，根据这一特点，相邻3个过零点Z_q-1、Z_q、Z_q+1如果能同时满足以下条件即超声波过零法则条件，则这3个点都是超声波信号零点，这段信号应为超声波信号；上述超声波过零法则条件如下：

A.超声波信号半波长*（1-δ₁）≤Z_q-1与Z_q间半波长≤超声波信号半波长*（1+δ₁）；

B.超声波信号半波长*（1-δ₂）≤Z_q与Z_q+1间半波长≤超声波信号半波长*（1+δ₂）；

C.Z_q-1与间半波极性≠Z_q与Z_q+1间半波极性；

其中，δ₁和δ₂是换能器导致的超声波信号正负半波的误差率；按照以上条件对波形进行分析以获得超声波信号零点的方法即为零点分析法，首次满足零点分析法3个条件的第1个零点即为超声信号到达时刻点Z₀；当不满足上述超声波过零法则条件，则选取下一相邻点继续超声波过零法则条件判断，若所有过零点均未满足超声波过零法则条件，则返回步骤（1）；此方法不再依赖阈值比较，图1中“阈值比较电路”完全可以去掉。按照此方法可以把超声波信号及其所有零点从包含噪声的信号数据中鉴别出来。

本实施例选取Z₀、Z₁、Z₂为相邻过零点，Z₀为超声波接收信号中启动A/D转换进行数据采集的第一个过零时刻点，进行上述超声波过零法则条件判断。在流体中由于某种复杂的环境干扰，可能出现类似于一个或多个超声波信号整波长的干扰，只用3个相邻点可能无法判断就是超声波信号的零点，还需要在Z₀、Z₁、Z₂的基础上继续分析是否存在Z₃或Z₄、Z₅等零点，这些零点都必须满足零点分析法的3个条件，只有依次同时出现以上几个零点时才认为Z₀是超声信号到达时刻点（如图3所示）

假设Z₀与Z₁间距用H₀表示（H₀=Z₁-Z₀）、Z₁与Z₂间距用H₁表示（H₁=Z₂-Z₁），如图3所示，H₀=L/2，H₁=L/2，Z₁与Z₂间正半波与Z₁与Z₂间负半波极性不同，满足零点分析法的3个条件，因此Z₀、Z₁、Z₂都是超声波信号零点，而Z₀为第一个零点。如果继续对Z₁、Z₂、Z₃按零点分析法进行分析，发现Z₃也是超声波信号零点，以此类推Z₄也是超声波信号零点，如果需要可以一直按此分析下去，直到找出超声波信号的所有零点；若已通过进入步骤（4）;

（4）选取超声波接收信号中的第一个过零点来确定超声信号到达时刻，计算顺逆流传播时间；

根据上述步骤（4）,在图3中，L为超声波波长，选取Z₀、Z₁、Z₂为相邻的3个超声波信号过零点，其中，Z₀为超声波接收信号中启动A/D转换进行数据采集的第一个超声波过零时刻点，T_g是从发出脉冲驱动信号到启动“A/D转换”前的时间，T_z是从启动“A/D转换”后到出现第一个零点Z₀间的时间，测得T_z后就可获得顺逆流传播时间T，即

T＝T_g+T_z

实际接收超声波信号时，应在零点Z₀达到时提前打开“A/D转换”进行数据采集，过早或过晚打开都有可能错过有效波形，一般通过T_g来控制，使得零点Z₀尽量处在整个波形数据的中间位置。这必然在零点Z₀前引入无关的噪声信号（T_z所对应信号区域），而无法简单使y的值为零的方式来获得零点Z₀的到达时刻，需要分别对噪声波形和超声波信号波形的特征进行分析，而本实施例通过上述步骤（1）-（3）以确定了哪些是噪声零点，哪些是超声波信号的零点，从而进一步精确确定了顺逆流传播时间值。

（5）然后通过精确测量的顺逆流传播时间计算管道的瞬时流量;

时差式超声波流量计根据公式1计算瞬时流速V：

$V=\frac{L}{2\cos \mathrm{\α}}\×(\frac{1}{T_g}-\frac{1}{T_z})$ 公式1

其中α为流速与超声波传播路径的夹角，

进而可以计算出管道的瞬时流量Q：

Q＝V×S

其中，S管道面积。

本发明通过超声波信号零点分析法，超声波信号零点不受外部环境的影响，即使信号波形过弱或信号波形幅值出现大的波动，也不影响零点的检测；如果出现的强干扰信号，由于不满足零点分析法的条件，被直接过滤，也不影响零点的检测，在信号较弱、波动较大以及干扰强烈的情况下，都能检测到零点，准确测量出超声波信号在流体中的顺逆流传播时间，极大地提高了时差法超声波流量计的计量精度，彻底解决现有阈值比较法带来的问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于零点分析的时差式超声波流量计的测量方法，其特征在于，其方法为:

(1)脉冲驱动信号数据采集；

发出脉冲驱动信号后，启动时差式超声波流量计的A/D转换进行数据采集，采集数据个数i，所采集的数据时刻点Z_i,其中，i为自然数；

(2)寻找零点值；

将采集的i个数据进行零点分析，判断Z_i是否为过零点，若Z_i满足过零法则条件之一，则判断为过零点；反之，则否,返回步骤(1)进行继续采集；

(3)至少选择3个相邻过零点，并判断是否为超声波信号过零点；

通过上述步骤(2)的过零分析后，至少选取三个过零点Z_q-1、Z_q、Z_q+1，其中，q为自然数，且1≤q≤i-1；

当Z_q-1、Z_q、Z_q+1同时满足超声波零点分析法条件时，则Z_q-1、Z_q、Z_q+1判断为超声波信号过零点，上述超声波零点分析法条件如下：

A.超声波信号半波长*(1-δ₁)≤Z_q-1与Z_q间半波长≤超声波信号半波长*(1+δ₁)；

B.超声波信号半波长*(1-δ₂)≤Z_q与Z_q+1间半波长≤超声波信号半波长*(1+δ₂)；

C.Z_q-1与Z_q间半波极性≠Z_q与Z_q+1间半波极性；

其中，δ₁和δ₂是换能器导致的超声波信号正负半波的误差率；

当不满足上述超声波零点分析法则条件，则选取下一相邻点继续超声波零点分析法条件判断，若所有过零点均未满足超声波零点分析法则条件，则返回步骤(1)；

(4)选取超声波接收信号中的第一个过零点来确定超声信号到达时刻，计算顺逆流传播时间；

根据上述步骤(4),选取Z₀、Z₁、Z₂为相邻的3个超声波信号过零点，其中，Z₀为超声波接收信号中启动A/D转换进行数据采集的第一个超声波过零时刻点；则顺逆流传播时间T，

即

T＝T_g+T_z

其中，T_g是从发出脉冲驱动信号到启动A/D转换进行数据采集前的时间，T_z是从启动A/D转换进行数据采集后到出现第一个超声波过零时刻点Z₀间的时间；

(5)然后通过顺逆流传播时间计算所测断面的瞬时流量；

所述过零法则条件如下：

①当前点幅值等于0；

②当前点幅值小于0但下一个点幅值大于0；

③当前点幅值大于0但下一个点幅值小于0。

2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤(5)中，计算断面的瞬时流量的步骤为：首先根据下列公式一计算瞬时流速V：

$V=\frac{L}{2cos\mathrm{\α}}\×(\frac{1}{T_g}-\frac{1}{T_z})$    公式一

其中α为流速与超声波传播路径的夹角，

进而计算出断面的瞬时流量Q：

Q＝V×S

其中，S为所测断面面积。