CN103792384A - 基于超声波互相关技术的量程比可调的流体流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超声波互相关技术的量程比可调的流体流速测量方法，在管壁外沿与流体垂直的截面内的直径方向，分别安装两对上下游传感器1和2，传感器同时发射和接收超声波脉冲信号，在保证测量结果精确度的前提下实现量程比可调的流速测量，所述量程比可调的流速测量基于量程和采样时间间隔的关系及对滞后时间的设定，其步骤包括：粗测、调整测量参数、精确测量，其中测量参数包括脉冲串时间间隔和采样时间间隔。本发明解决了传统测量方法在精确度和量程比之间的矛盾关系，保证由峰值位置的确定所引起的相对误差在每个量程范围保持一致，从而保证测量结果的准确度；本发明使用简单，对于传感器的初始化免去量程选择步骤，可实现自适应测量。

Description

基于超声波互相关技术的量程比可调的流体流速测量方法

技术领域

本发明涉及一种流体流速测量技术，具体涉及一种基于超声波互相关技术的流速测量方法。

背景技术

超声波相关法流速测量因具有非侵入式，精确度高，不需要声速信息，不受温度等外界环境变化的影响，可以测量单相流和多相流等优势，一直受到广泛关注。

互相关流速测量以凝固流动图型假说为基础，根据该假说，在上游某截面的流体随机噪声经过一定时间后，会在下游某截面重复出现。将这种流体随机噪声先后经过上下游的时间称之为滞后时间。传感器包括上游传感器和下游传感器，分别安装在与流体流动方向垂直的两个截面上。传感器的超声波发射和接收探头分别位于同一截面内沿管径方向的管壁对侧。上下游传感器同时发射、接收超声波脉冲信号。分别从上下游传感器提取出与被测流体流动状况有关的流体随机噪声信号，并对两信号做互相关，互相关结果的峰值位置所对应的延时时间即为滞后时间。可知，流体流速为：

$v=\frac{L}{t}---\left(1\right)$

其中，L为上、下游传感器之间的距离，t为滞后时间，

滞后时间由下式得出：

t=nΔ_t               (2)

其中，Δ_t为相关器的采样时间间隔，同时也是超声脉冲串的时间间隔，n为滞后点数；

由峰值位置引起的相对误差为：

$\mathrm{\δ}=\frac{{\mathrm{\Δ}}_v}{v_{\max }}=\frac{t_{\min }{\mathrm{\Δ}}_t}{t^2}\≤\frac{{\mathrm{\Δ}}_t}{t}=\frac{1}{n}---\left(3\right)$

式中，Δ_v为流速增量，v_max为当前设定的脉冲串的时间间隔下所能测得的流速上限值；t_min为流速上限值对应的延时时间。

由式（3）可以看出，由峰值位置的确定产生的相对误差与峰值位置n成反比。同时，n随着流速增大，而减小。因此，对于一定的量程范围，流速在其上限值处的相对误差最大。

传统测量方法的量程受限于峰值位置引起的相对误差，导致测量结果精确度下降，因此，在保证峰值位置引起的相对误差不变的前提下，如何扩大流速测量范围一直是一个难题。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明旨在提供一种基于超声波互相关技术的实用流速测量方法，以实现宽范围、高准确度的流速测量。

本发明目的通过下述技术方案实现：一种基于超声波互相关技术的量程比可调的流体流速测量方法，在管壁外，沿与流体垂直的截面内的直径方向，分别安装两对上下游传感器1和2，传感器同时发射和接收超声波脉冲信号，其特征在于，在保证测量结果精确度的前提下实现量程比可调的流速测量。

本发明所述的量程比可调的流速测量，基于量程和采样时间间隔的关系，根据测量原理，只要在上限值处满足下式

$\frac{1}{n}=\mathrm{\δ}\·100\%---\left(4\right)$

可知在上限值处，测量结果的精确度只与滞后点数n有关，结合式(1)可以得出量程和采样时间间隔的关系

${\mathrm{\Δ}}_t=L\·\mathrm{\δ}\·\frac{1}{v_{\max }}---\left(5\right)$

其中，Δ_t为脉冲串时间间隔即采样时间间隔，L为上下游传感器之间的距离，δ为由峰值位置引起的相对误差，v_max为当前设定的脉冲串的时间间隔下所能测得的流速上限值，

如果保持相对误差和上下游传感器间距不变，那么量程和时间间隔成反比。因此，所述的量程比可调通过扩大或缩小时间间隔实现，对于小流速测量选用较大的时间间隔，对于大流速测量，则选用较小的时间间隔，对于不同的量程比其相对误差引起的精确度等级可以保持一致；

本发明所述的量程比可调的流速测量，还基于对滞后时间的设定，由于流体噪声的随机性，两信号之间的相关性随滞后时间的增大而减小，而滞后时间在量程上限时最大。因此，为保证在量程上限时两信号互相关结果的准确性，应使滞后时间不超过一定值。假设总采样点数为N，那么选择在量程上限时，两流体噪声信号之间的滞后时间不超过N/2，这种情况足以保证相关测量结果的准确性；预设多个测量区间，并在每个区间将滞后点数n达到N/2时作为区间上限，那么在每个测量区间内，由峰值位置引起的相对误差保持在以内；

本发明所述的量程比可调的流体流速测量方法，包括如下步骤：

（1）初始化测量，使用较低的脉冲串频率和较大的采样时间间隔，粗略确定滞后时间或对当前流速进行粗测；

（2）根据测得的滞后时间或根据粗测结果和预设的多个测量区间，选择对应的量程范围，调整测量参数，包括脉冲串频率和采样时间间隔；

（3）精确测量，保证测量结果满足精确度要求。

由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比的有益效果如下：

1）解决了传统测量方法中量程比受限于峰值位置的相对误差引起的精确度的缺陷问题，实现了宽范围、高准确度的流速测量。

2）本方法没有增加装置安装的复杂度，同时具有量程比可调、高精度等优点。

3）使用简单，对于传感器的初始化免去量程选择步骤，本测量方法可以实现自适应测量。

附图说明

图1为现有技术超声波互相关流速测量装置图。

图2为本发明量实施例一的流程示意图。

图3为本发明量实施例二的流程示意图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明量程比可调的流速测量方法的实施例。

参照图1，测量装置仍沿用传统装置，在管壁外，沿与流体垂直的截面内的直径方向，分别安装两对上下游传感器1和2，传感器同时发射和接收超声波脉冲信号，超声波脉冲串的发射频率和采样时间间隔为本测量过程中参数调整的调节对象，并且两者保持一致。

实施例一：

参照图2，包括：

步骤S11）使用较低的脉冲串频率和较大的采样时间间隔，对当前流速进行粗测；

步骤S12）根据粗测结果和预设的多个测量区间，选择对应的量程范围，以调整精确测量时的测量参数，包括脉冲串频率和采样时间间隔；

步骤S13）精确测量，保证测量结果满足精确度要求；

在上述实施例中，假设总采样点数N为256，在每个预设测量区间的上限处n为100，下限处为200，滞后时间符合随机信号的相关检测要求。因此，每个测量区间的上限和下限之比为2，那么由峰值位置引起的相对误差在每个区间内为0.5%～1%。

假设上下游传感器间隔L=0.1m(实际应为2D～3D，D为管道直径，在此暂不考虑)，并假设可测最小流速v₀=0.001m/s，且n=200,则

${\mathrm{\Δ}}_t=\frac{L}{n\·v_0}=5\mathrm{ms}---\left(6\right)$

根据公式(5)，在流速范围为0.001m/s～0.002m/s内，Δ_t取2.5ms；在流速范围为0.002m/s～0.004m/s内，Δ_t取1.25ms；以此类推。

在本实施例中，由于不同量程范围采用不同的时间间隔，而由相关峰值位置的确定引起的相对误差不变，因此精确度保持不变，故可以实现对高、中、低流速的精确测量。

实施例二：

参照图3，包括：

步骤S21）初始化测量，使用较低的脉冲串频率和较大的采样时间间隔，粗略确定滞后时间；

步骤S22）根据测得的滞后时间，调整测量参数，包括脉冲串频率和采样时间间隔；

步骤S23）精确测量，保证测量结果满足精确度要求。

在本实施例中，为保证两信号之间较好的相关性和相关结果的准确性，使精测时的滞后点数n在N/2附近，保证精确测量结果保持为

则调整后的采样时间间隔和脉冲串时间间隔为Δ_t=2t/N。

Claims (4)

1.一种基于超声波互相关技术的量程比可调的流体流速测量方法，在管壁外，沿与流体垂直的截面内的直径方向，分别安装两对上下游传感器1和2，传感器同时发射和接收超声波脉冲信号，其特征在于，在保证测量结果精确度的前提下实现量程比可调的流速测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波互相关技术的量程比可调的流体流速测量方法，其特征在于，所述的量程比可调的流速测量，基于量程和采样时间间隔的关系：

${\mathrm{\Δ}}_t=L\·\mathrm{\δ}\·\frac{1}{v_{\max }}$

其中Δ_t为相关器的采样时间间隔，L为上下游传感器之间的距离，δ为由峰值位置引起的相对误差，v_max为当前设定的脉冲串的时间间隔下所能测得的流速上限值；如果保持相对误差和上下游传感器间距不变，通过扩大或缩小时间间隔实现量程比可调。对于小流速测量选用较大的时间间隔，对于大流速测量，则选用较小的时间间隔。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声波互相关技术的量程比可调的流体流速测量方法，其特征在于，所述的量程比可调的流速测量，还基于为保证测量结果的准确性而设定滞后时间范围，假设总采样点数为N，那么在选择量程上限时，两流体噪声信号之间的滞后时间不超过N/2；预设多个测量区间，并在每个区间将滞后点数n达到N/2时作为区间上限，那么在每个测量区间内，由峰值位置引起的相对误差保持在

以内。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于超声波互相关技术的量程比可调的流体流速测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）初始化测量，使用较低的脉冲串频率和较大的采样时间间隔，粗略确定滞后时间或对当前流速进行粗测；

（2）根据测得的滞后时间或根据粗测结果和预设的多个测量区间，选择对应的量程范围，调整测量参数，包括脉冲串频率和采样时间间隔；

（3）精确测量，保证测量结果满足精确度要求。

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