CN104330120B - 用于低能耗超声波流量表的流量检测方法及系统 - Google Patents
用于低能耗超声波流量表的流量检测方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于超声波流量表设计技术领域，特别涉及一种用于低能耗超声波流量表的流量检测方法以及实现该方法的系统，该方法包括如下步骤：主控模块产生周期为T的连续激励信号，并输出至激励信号数量控制电路；激励信号数量控制电路将连续周期的激励信号处理成指定的周期个数的激励信号，所述的指定周期大于等于6；第一换能器接收到指定周期个数的激励信号后发射超声波信号；第二换能器接收到超声波后输出回波信号至回波信号处理模块中的计时电路进行计时并将结果输出至主控模块，主控模块根据超声波顺流、逆流输出的计时差值计算流量。通过将连续不断的激励信号处理成指定周期个数的激励信号，第一换能器不会一直处于工作状态，减少能量损耗，延长系统的使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于超声波流量表设计技术领域，特别涉及一种用于低能耗超声波流量表的流量检测方法及系统。
背景技术
超声波流量表是利用超声波时差原理，来实现对液体或气体流量进行计量的装置，与传统的机械式计量表相比，超声波流量计量表具有始动流量低、高计量准确度高、压损小等优势，正是由于这些优良特性，超声波流量计量表广泛应用于石油、化工、冶金、电力、给排水等领域。
超声波流量表的测量原理为：上游端换能器发出超声波信号，经过时间t1后被下游端换能器接收；下游端换能器发出超声波信号，经过时间t2后被上游端换能器接收，由于超声波在顺流和逆流中的速度不同，通过比较时间t1、t2的差值，就能换算出流体的速度，再根据流体流过截面的大小，就能得知流量。现有技术中，用于激励换能器的激励信号多为连续信号，但由于只采集顺流或逆流的时间，故连续信号之后的部分基本用不到，而连续的激励波信号会造成换能器的持续振动，导致系统能量的损耗过大，需要超声波流量表频繁的更换电池，使用不便。另外，连续的激励信号还会在管壁或其他部位产生干扰波形，影响超声波流量表的计量精度。
发明内容
本发明的首要目的在于提供一种用于低能耗、高精度超声波流量表的流量检测方法，有效减少能耗、提高精度。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种用于低能耗超声波流量表的流量检测方法，包括如下步骤：(A)主控模块产生周期为T的连续激励信号，并输出至激励信号数量控制电路；(B)激励信号数量控制电路将连续周期的激励信号处理成指定的周期个数的激励信号，所述的指定周期大于等于6；(C)第一换能器接收到指定周期个数的激励信号后发射超声波信号；(D)第二换能器接收到超声波后输出回波信号至回波信号处理模块中的计时电路进行计时；(E)计时电路将结果输出至主控模块，主控模块根据超声波顺流、逆流输出的计时差值计算流量。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：将连续不断的激励信号处理成指定周期个数的激励信号，在保证后续信号处理的基础上，使第一换能器不会一直处于工作状态，减少能量损耗，延长系统的使用寿命；采用指定周期个数的激励波，信号能量较大且集中，还能够减少激励波伴随的各种反射干扰波形的强度，在湍流和紊流的情况下，使接收换能器能够捕捉到稳定的回波信号。
本发明的另一个目的在于提供一种执行前述的用于低能耗、高精度超声波流量表的流量检测方法的系统，有效减少能耗、提高计量精度。
为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种用于低能耗超声波流量表的流量检测系统，包括主控模块，主控模块产生周期为T的连续激励信号，并输出至激励信号数量控制电路；激励信号数量控制电路将连续周期的激励信号处理成指定的周期个数的激励信号后输出至第一换能器，指定周期大于等于6；第二换能器接收到第一换能器发射的超声波后输出回波信号至回波信号处理模块中的计时电路进行计时；计时电路将结果输出至主控模块，主控模块根据超声波顺流、逆流输出的计时差值计算流量。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：将连续不断的激励信号处理成指定周期个数的激励信号，在保证后续信号处理的基础上，使第一换能器不会一直处于工作状态，减少能量损耗，延长系统的使用寿命；采用指定周期个数的激励波，信号能量较大且集中，还能够减少激励波伴随的各种反射干扰波形的强度，在湍流和紊流的情况下，使接收换能器能够捕捉到稳定的回波信号，有效提高计量精度。
附图说明
图1是不同周期的激励信号所对应的回波信号图；
图2是本发明的原理框图；
图3是激励信号数量控制电路的原理框图；
图4是图3的时序图；
图5是激励信号数量控制电路的电路图；
图6是本发明优选实施方式的原理框图。
具体实施方式
下面结合图1至图6，对本发明做进一步详细叙述。
参阅图2，一种用于低能耗超声波流量表的流量检测方法，包括如下步骤：(A)主控模块10产生周期为T的连续激励信号，并输出至激励信号数量控制电路21；(B)激励信号数量控制电路21将连续周期的激励信号处理成指定的周期个数的激励信号，所述的指定周期大于等于6；(C)第一换能器接收到指定周期个数的激励信号后发射超声波信号；(D)第二换能器接收到超声波后输出回波信号至回波信号处理模块60中的计时电路64进行计时；(E)计时电路64将结果输出至主控模块10，主控模块10根据超声波顺流、逆流输出的计时差值计算流量。
| 激励波周期数 | 回波包络最大幅值/Q | 稳定回波个数 |
| 1 | 0.23 | 0 |
| 2 | 0.43 | 0 |
| 3 | 0.62 | 0 |
| 4 | 0.79 | 0 |
| 5 | 0.89 | 0 |
| 6 | 0.98 | 1 |
| 7 | 1.02 | 2 |
| 8 | 1.04 | 3 |
之所以指定周期要大于等于6，是因为在测量的时候，第二换能器接收到的信号有损耗，特别是前几个周期的回波信号基本难以识别。图1所示的就是激励信号的周期分别是5、6、7、8时所对应的回波信号波形，上述表格所示的是激励信号的周期分别是1至8时所对应的回波信号的最大幅值和稳定回波个数。从图1和上述表格可以明显的看出，当指定周期数小于6的时候，没有稳定的回波，故这里所述的指定周期大于等于6，同样，指定周期在大于等于6的基础上，数值选择越大，第一换能器的耗能越多，因此需要根据后续电路的处理需要进行合理的选择。
需要指出的是，要想获得流体流量，需测量两次：测量顺流时间的时候，第一、二换能器分别为上游端换能器51、下游端换能器52；测量逆流时间的时候，第一、二换能器分别为下游端换能器52、上游端换能器51。主控模块10将两次测量得到的计数值进行处理得到流量值。
现有技术中，激励信号多为方波信号，为了保证激励效果并减少回波信号中的杂波，这里优选地，步骤C中，包括将指定周期个数的激励信号调理成正弦波信号的激励信号调理电路22，第一换能器接收正弦波信号；步骤D中，包括将正弦波信号转换成方波信号的回波信号调理电路61，第二换能器输出的回波信号经过回波信号调理电路61后输出至计时电路64。同样，为了保证激励信号调理电路22的正常工作，所述主控模块10包括微处理器11、激励信号输出电路12，步骤A中，激励信号输出电路12输出两路同幅值、同频率、同相位的连续方波激励信号；经激励信号数量控制电路21处理后的两路方波激励信号输出至激励信号调理电路22中进行调理。
为了减少能耗且不影响测量结果或精度的情况下，更优选地，所述的指定周期为8～12。在本实施例中，将指定周期个数优选为8，能够在不影响后续电路处理的前提下显著降低功耗，另外一方面，当激励信号个数为8的时候，由激励信号在管道内产生的干扰信号较小，并且能量集中，使其在湍流和紊流的情况下，第二换能器能够捕捉到稳定的回波信号。
更优选地，所述的步骤B中，激励信号数量控制电路21根据微处理器11输出的控制信号对连续方波激励信号进行处理，微处理器11输出的控制信号为脉冲信号，脉冲信号以连续方波激励信号任一个高电平的中点位置为起点，脉冲信号的宽度为8*T，脉冲信号位于起点和终点之间为低电平、其余为高电平。通过该控制信号，激励信号数量控制电路21只需要对激励信号输出电路12和微处理器11输出的信号进行简单的逻辑运算即可完成“将连续周期的激励信号处理成指定的周期个数的激励信号”这个功能，大大简化了电路；同时，激励信号输出电路12也是由微处理器11控制的，保证了系统的同步性。
更优选地，如果激励信号数量控制电路21输出的是完整的8个周期的方波信号，并不利于后续的激励信号调理电路22的调理，因此，所述激励信号输出电路12输出的两路连续方波激励信号自控制信号起点后8*T的时间后分别为持续高电平、持续低电平；这里的持续高电平或持续低电平到下次测量之前要继续恢复连续方波激励信号。控制信号的脉冲宽度向后增加四分之五个T如图4中V3所示，这样可以保证正弦波信号的平滑性。
为实现前面所述的方法，这里提供一种流量检测系统，包括主控模块10，主控模块10产生周期为T的连续激励信号，并输出至激励信号数量控制电路21，激励信号数量控制电路21将连续周期的激励信号处理成指定的周期个数的激励信号后输出至第一换能器，指定周期大于等于6，第二换能器接收到第一换能器发射的超声波后输出回波信号至回波信号处理模块60中的计时电路64进行计时。同样，第一、二换能器在测量顺流或逆流时间的时候，分别代表不同的换能器，与前面所述的一致，这里不再赘述。
优选地，所述主控模块10包括微处理器11、激励信号输出电路12，激励信号输出电路12输出两路同幅值、同频率、同相位的连续方波激励信号；步骤B中，激励信号数量控制电路21根据微处理器11输出的控制信号对连续方波激励信号进行处理，控制信号为脉冲信号，脉冲信号以连续方波激励信号任一个高电平的中点位置为起点，脉冲信号的宽度为8*T，脉冲信号位于起点和终点之间为低电平、其余为高电平；步骤C中，包括将指定周期个数的激励信号调理成正弦波信号的激励信号调理电路22，第一换能器接收正弦波信号；步骤D中，包括将正弦波信号转换成方波信号的回波信号调理电路61，第二换能器输出的回波信号经过回波信号调理电路61后输出至计时电路64。
参阅图3，激励信号数量控制电路21的实现方式多样，这里优选地，所述的激励信号数量控制电路21包括两个三态门U1、U2，所述三态门U1、U2的输入端均与激励信号输出电路12相连用于接收两路连续方波激励信号，三态门U1、U2的门控端均与微处理器11相连用于接收微处理器11输出的控制信号，三态门U1、U2的输出端与激励信号调理电路22相连。使用三态门U1、U2构成激励信号数量控制电路21，可以减少对后续电路的影响，如图3中所示，输出信号V4、V5呈现出高电平、低电平或高阻态，高阻态即信号两端虚线框处。
参阅图5，同样地，有很多芯片都集成了三态门的功能，这里所述的激励信号数量控制电路21包括芯片211，三态门U1、U2均集成在芯片211中，芯片211的引脚2、3分别作为三态门U1、U2的输入端与激励信号输出电路12相连，芯片211的引脚19作为三态门U1、U2的门控端与微处理器11相连，芯片211的引脚18、17分别作为三态门U1、U2的输出端与激励信号调理电路22相连。
图6为本发明的具体应用电路的原理框图：
流量检测系统包括主控模块10，主控模块10由微处理器11、激励信号输出电路12构成，微处理器11控制激励信号输出电路12产生/停止产生激励信号，激励信号输出至激励信号处理模块20。
激励信号处理模块20包括依次连接的激励信号数量控制电路21、激励信号调理电路22，激励信号数量控制电路21根据微处理器11输出的控制信号将激励信号输出电路12输出的连续的方波信号转换成具有8个周期数的方波信号，激励信号调理电路22将激励信号数量控制电路21输出的方波信号调理为正弦波信号。
正弦波信号经过信号放大电路30放大后通过信号通道控制电路40输出至上游换能器51/下游换能器52，上游换能器51/下游换能器52发射超声波；下游换能器51/上游换能器52接收到相应的超声波信号后输出回波信号，回波信号经过信号通道控制电路40输出至信号放大电路30，信号放大电路30将回波信号放大后输出至回波信号处理模块60。
回波信号处理模块60包括回波信号调理电路61、计时脉宽分割电路62、计时脉宽放大电路63以及计时电路64，回波信号调理电路61将信号放大电路30输出的正弦波信号调理成方波信号并输出至计时脉宽分割电路62，计时脉宽分割电路62、计时脉宽放大电路63对接收到的方波信号进行分割、放大处理后输出至计时电路64。计时电路64将计数值输出至微处理器11，微处理器11根据顺流和逆流计数值的差值以及管道截面、流体温度等计算得出流量值。
流量检测系统其他模块或电路在本公司同日申请的其他专利中有详细介绍，这里就不再赘述。
Claims (9)
1.一种用于低能耗超声波流量表的流量检测方法，包括如下步骤：
A、主控模块(10)产生周期为T的连续激励信号，并输出至激励信号数量控制电路(21)；
B、激励信号数量控制电路(21)将连续周期的激励信号处理成指定的周期个数的激励信号，所述的指定周期大于等于6；
C、第一换能器接收到指定周期个数的激励信号后发射超声波信号；
D、第二换能器接收到超声波后输出回波信号至回波信号处理模块(60)中的计时电路(64)进行计时；
E、计时电路(64)将结果输出至主控模块(10)，主控模块(10)根据超声波顺流、逆流输出的计时差值计算流量；
所述主控模块(10)包括微处理器(11)、激励信号输出电路(12)，步骤A中，激励信号输出电路(12)输出两路同幅值、同频率、同相位的连续方波激励信号；步骤B中，激励信号数量控制电路(21)根据微处理器(11)输出的控制信号对连续方波激励信号进行处理，微处理器(11)输出的控制信号为脉冲信号，脉冲信号以连续方波激励信号任一个高电平的中点位置为起点，脉冲信号的宽度为指定周期*T，脉冲信号位于起点和终点之间为低电平、其余为高电平；步骤C中，包括将指定周期个数的激励信号调理成正弦波信号的激励信号调理电路(22)，第一换能器接收正弦波信号；步骤D中，包括将正弦波信号转换成方波信号的回波信号调理电路(61)，第二换能器输出的回波信号经过回波信号调理电路(61)后输出至计时电路(64)。
2.如权利要求1所述的用于低能耗超声波流量表的流量检测方法，其特征在于：所述的指定周期为8～12。
3.如权利要求2所述的用于低能耗超声波流量表的流量检测方法，其特征在于：所述的指定周期为8。
4.如权利要求1所述的用于低能耗超声波流量表的流量检测方法，其特征在于：所述激励信号输出电路(12)输出的两路连续方波激励信号自控制信号起点后8*T的时间后分别为持续高电平、持续低电平；控制信号的脉冲宽度向后增加四分之五个T。
5.一种执行权利要求1所述的用于低能耗超声波流量表的流量检测方法的系统，其特征在于：包括主控模块(10)，主控模块(10)产生周期为T的连续激励信号，并输出至激励信号数量控制电路(21)；激励信号数量控制电路(21)将连续周期的激励信号处理成指定的周期个数的激励信号后输出至第一换能器，指定周期大于等于6；第二换能器接收到第一换能器发射的超声波后输出回波信号至回波信号处理模块(60)中的计时电路(64)进行计时；计时电路(64)将结果输出至主控模块(10)，主控模块(10)根据超声波顺流、逆流输出的计时差值计算流量。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于：所述主控模块(10)包括微处理器(11)、激励信号输出电路(12)，激励信号输出电路(12)输出两路同幅值、同频率、同相位的连续方波激励信号；步骤B中，激励信号数量控制电路(21)根据微处理器(11)输出的控制信号对连续方波激励信号进行处理，控制信号为脉冲信号，脉冲信号以连续方波激励信号任一个高电平的中点位置为起点，脉冲信号的宽度为8*T，脉冲信号位于起点和终点之间为低电平、其余为高电平；步骤C中，包括将指定周期个数的激励信号调理成正弦波信号的激励信号调理电路(22)，第一换能器接收正弦波信号；步骤D中，包括将正弦波信号调理成方波信号的回波信号调理电路(61)，第二换能器输出的回波信号经过回波信号调理电路(61)后输出至计时电路(64)。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于：所述的激励信号数量控制电路(21)包括两个三态门U1、U2，所述三态门U1、U2的输入端均与激励信号输出电路(12)相连用于接收两路连续方波激励信号，三态门U1、U2的门控端均与微处理器(11)相连用于接收微处理器(11)输出的控制信号，三态门U1、U2的输出端与激励信号调理电路(22)相连。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于：所述的激励信号数量控制电路(21)包括芯片(211)，三态门U1、U2均集成在芯片(211)中，芯片(211)的引脚2、3分别作为三态门U1、U2的输入端与激励信号输出电路(12)相连，芯片(211)的引脚19作为三态门U1、U2的门控端与微处理器(11)相连，芯片(211)的引脚18、17分别作为三态门U1、U2的输出端与激励信号调理电路(22)相连。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于：所述激励信号输出电路(12)接收微处理器(11)输出的控制信号使得两路连续方波激励信号自控制信号起点后8*T的时间后分别为持续高电平、持续低电平；微处理器(11)输出至激励信号数量控制电路(21)的控制信号的脉冲宽度向后增加四分之五个T。
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