CN104501889A - 基于互相关时差法超声波流量的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

基于互相关时差法超声波流量的检测方法和装置。本发明提供的在测量管设置有第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器，所述第一声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器、第四超声波换能器分别通过相应的第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管设置于测量管，所述第一连接管和第二连接管共线垂直于管道轴向方向设置，所述第三连接管和第四连接管共线并与轴向方向成θ角设置；本发明消除超声波传播速度、环境噪声和电磁干扰、电路和元件的时延等因素对测量结果的影响，极大简化接收信号的判决和信号处理的复杂程度，解决了接收端无法精确的判决超声波接收信号的问题，使超声波气体流量计得到更广泛的应用。

Description

基于互相关时差法超声波流量的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及气体流量检测领域，尤其涉及基于互相关时差法超声波流量的检测方法和装置。

背景技术

超声波流量测量技术是一种利用超声波信号在流体中传播时流体的流速信息来测量流体测量的测量技术，它具有非接触式测量、测量精度高、测量范围宽、安装维护方便等特点。根据对信号检测的原理，目前超声波流量检测装置大致可分为时差法、频差法、波束偏移法、多普勒法等类型，其中应用最广泛的是基于时差法的流量检测装置。

目前国内的时差法的超声波流量检测技术有很多，比如宁波大学的“一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型及抑制方法”公开了一种时差法超声波流量计，该超声波流量计包括测量管，在测量管的管段上沿测量管轴向、且呈对射结构布置有两个收发一体、且相互交替地对应作为发射元件和接收元件的两个超声波换能器，测量顺流传播时间和逆流传播时间，计算出管道流速的方法。该方法采用动态硬件阈值、过零比较相结合的脉冲计数法提高接收端判决接收波形的准确度，但是没能从原理和方法上解决接收端无法精确的判决超声波接收信号的问题，惯性时延、环境噪声和电磁干扰问题也没能解决。郑州光力科技股份有限公司申请的“一种时差法超声波流量检测方法及装置”发明专利对公开了一种时差法超声波流量检测方法及装置，该方法中使待测气体在流过测量管的布置有超声波换能器组的管段时自由扩散到静速管中，在静速管中测出超声波传播速度，代入计算，可以一定程度上减少超声波传播速度的影响，静速管和真实气体流动环境中的超声波传播速度还是有一定差异；同时接收端无法精确的判决超声波接收信号的问题没能得到解决，惯性时延、环境噪声和电磁干扰问题也没能解决。北京理工大学申请的“一种用于超声波流量计的绝对传播时间测量方法”发明专利公开了一种用于超声波流量计的绝对传播时间测量方法，在V型排布下换能器1和换能器2的正对侧正中设置一个换能器3，换能器1发时，2、3同时接收，相对时间差就是换能器2到3的传播时间，反之换能器2发，1、3同时接收就测出来顺流和逆流的传播时间。采用了V型反射的方式将绝对传播时间测量转换为了相对传播时间，解决了接收端信号无法精确的判决超声波接收信号的问题和电路上的时延问题；但是3只换能器安装不能对射，新增了超声波反射和斜射的问题；同时反射信号不能解决环境噪声和电磁辐射的干扰问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供基于互相关时差法超声波流量的检测方法和装置，用以解决上述问题。

本发明提供的一种基于互相关时差法超声波流量的检测方法，包括如下步骤

a.在测量管设置有第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器，所述第一声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器、第四超声波换能器分别通过相应的第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管设置于测量管，将所述第一超声波换能器和第二超声波换能器作为一对，所述第一连接管和第二连接管共线垂直于管道轴向方向设置，所述第三超声波换能器和第四超声波换能器作为一对，所述第三连接管和第四连接管共线并与轴向方向成θ角设置，其中0°<θ<180°，且θ≠90°；

b.将所述第一超声波换能器和第三超声波换能器作为发射端，同时发射相同波形，所述第二超声波换能器和第四超声波换能器作为接收端接收到不同时刻对应的波形，并测出达到的时差；

c.改变步骤b中所有超声波换能器的收发状态，将第二超声波换能器和第四超声波换能器作为发射端，同时发射相同波形，第一超声波换能器和第三超声波换能器作为接收端接收到不同时刻对应的波形，并测出达到的时差；

d.利用步骤b和步骤c的检测结果，计算气体流量。

进一步，所述步骤d包括

d1.将步骤b中检测的时差作为顺流时差，将步骤c中的时差作为逆流时差；

d2.利用顺流时差和逆流时差建立数学模型，计算测量管中的气体流速；

d3.根据气体流速结合测量管管道的横截面积计算气体流量。

进一步，利用如下公式计算步骤d1中所述的顺流时差

$\frac{L}{c+v\cos \mathrm{\&theta;}}-\frac{D}{c}=t_1$

其中，D为管道的直径，c为超声波在管道内的传播速度，θ为超声波由第三超声波换能器传递向第四超声波换能器传播的方向与管道内气体流速方向的夹角，v为气体流动的速度，L为第三超声波换能器和第四超声波换能器的中心线长度,t₁为顺流时差；

进一步，利用如下公式计算步骤d1中所述的逆流时差

$\frac{L}{c-v\cos \mathrm{\&theta;}}-\frac{D}{c}=t_2$

其中，D为管道的直径，c为超声波在管道内的传播速度，θ为超声波由第三超声波换能器传递向第四超声波换能器传播的方向与管道内气体流速方向的夹角，v为气体流动的速度，L为第三超声波换能器和第四超声波换能器的中心线长度,t₂为逆流时差；

进一步，所述最大互相关检测法利用如下公式获取气体流量

$q_v=K_h\&CenterDot;\frac{\mathrm{SL}(M-N)}{\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;(\frac{1}{t_1}+\frac{1}{t_2})\&CenterDot;[\frac{1}{(M-N)(1+\frac{t_1}{t_2})+\sin \mathrm{\&theta;}}-1]$

其中，S为管道横截面的面积，K_h为流量修正系数，D为管道直径，L为第三超声波换能器和第四超声波换能器的中心距，M和N为临时中间变量，

进一步，所述第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器为收发一体的换能器，其中第一超声波换能器和第二超声波换能器结构相同，第三超声波换能器和第四超声波换能器结构相同。

一种基于互相关时差法超声波流量的检测装置，包括测量管、超声波换能器和连接管，所述超声波换能器通过连接管与测量管连接。

进一步，所述超声波换能器包括第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器，所述第一声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器、第四超声波换能器分别通过相应的第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管设置于测量管，所述第一连接管和第二连接管垂直于管道轴向方向设置，所述第三连接管和第四连接管与轴向方向成θ角设置，其中0°<θ<180°，且≠θ90°。

进一步，所述第一连接管和第二连接管共线设置于测量管，所述第三连接管和第四连接管共线设置于测量管。

进一步，所述第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器为收发一体的换能器，其中第一超声波换能器和第二超声波换能器结构相同，第三超声波换能器和第四超声波换能器结构相同。

本发明的有益效果：本发明消除超声波传播速度、环境噪声和电磁干扰、电路和元件的时延等因素对测量结果的影响，极大简化接收信号的判决和信号处理的复杂程度，解决了接收端无法精确的判决超声波接收信号的问题，使超声波气体流量计得到更广泛的应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图。

本发明提供的一种基于互相关时差法超声波流量的检测方法，包括如下步骤

a.在测量管设置有第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器，所述第一声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器、第四超声波换能器分别通过相应的第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管设置于测量管，将所述第一超声波换能器和第二超声波换能器作为一对，所述第一连接管和第二连接管共线垂直于管道轴向方向设置，所述第三超声波换能器和第四超声波换能器作为一对，所述第三连接管和第四连接管共线并与轴向方向成θ角设置，其中0°<θ<180°，且θ≠90°；

b.将所述第一超声波换能器和第三超声波换能器作为发射端，同时发射相同波形，所述第二超声波换能器和第四超声波换能器作为接收端接收到不同时刻对应的波形，并测出达到的时差；

c.改变步骤b中所有超声波换能器的收发状态，将第二超声波换能器和第四超声波换能器作为发射端，同时发射相同波形，第一超声波换能器和第三超声波换能器作为接收端接收到不同时刻对应的波形，并测出达到的时差；

d.利用步骤b和步骤c的检测结果，计算气体流量。

在本实施例中，所述步骤d还包括

d1.将步骤b中检测的时差作为顺流时差，将步骤c中的时差作为逆流时差；

d2.利用顺流时差和逆流时差建立数学模型，计算测量管中的气体流速；

d3.根据气体流速结合测量管管道的横截面积计算气体流量。

如图1所示，本实施例中的检测装置包括测量管5，在测量管5的管段上布置有一对垂直于管道中轴线的超声波换能器1和超声波换能器2，另一对与中轴线成θ角(0°<θ<180°且θ≠90°)安装的超声波换能器3和超声波换能器4，所述4个超声波换能器通过连接管固定于测量管上，超声波换能器1和3之间保持距离d1,超声波换能器2和4之间保持距离d2，假设超声波在管道内传播速度为c，管道直径为D，超声波换能器3和4之间中心线长度为L，管道中气体流速为v，流向从超声波换能器1到3。将超声波换能器1和3作为发射端，超声波换能器2和4作为接收端，当超声波沿超声波换能器1流向超声波换能器2，超声波换能器3流向超声波换能器4两种不同途径传播时，超声波换能器1到超声波换能器2的传播方向和管道内气体流速方向垂直，气体流动速度在超声波换能器1和超声波换能器2的中心线上无正交分量，超声波在超声波换能器1流向超声波换能器2的传播时间超声波换能器3流向超声波换能器4的传播方向和管道内气体流速方向夹角为θ，气体流动速度在超声波换能器3和超声波换能器4中心线上分解分量为vcosθ，超声波传播方向为顺流方向，在超声波换能器3到超声波换能器4的传播方向上合成速度为c+vcosθ，超声波在超声波换能器3带超声波换能器4的传播时间两种路径超声波传播的时差为t₁＝t_a-t_b，满足如下公式：

$\frac{L}{c+v\cos \mathrm{\&theta;}}-\frac{D}{c}=t_1;$ 式(1)

其中t₁为顺流时差

如图1所示，逆流是将超声波换能器2和超声波换能器4作为发射端，超声波换能器1和超声波换能器3作为接收端。超声波传播途径是由超声波换能器2传至超声波换能器1，以及超声波换能器4传至超声波换能器3，与顺流不同的情况是超声波换能器4传至超声波换能器3的超声波传播方向为逆流方向，在超声波换能器4传至超声波换能器3的传播方向上合成速度为c-vcosθ，两种路径超声波传播的时差满足如下公式：

$\frac{L}{c-v\cos \mathrm{\&theta;}}-\frac{D}{c}=t_2;$ 式(2)

由式1和式2联立求解，其中管道直径D和超声波换能器3、4中心距L满足：D＝Lsinθ，令临时中间变量 $M=\sqrt{\frac{{(2\sin \mathrm{\&theta;}-1)}^2}{16}+\frac{t_1{t}_2\sin \mathrm{\&theta;}(1-\sin \mathrm{\&theta;})}{{(t_1+t_2)}^2}}$ 和 $N=\frac{2\sin \mathrm{\&theta;}-1}{4},$ 介质中超声波传播速度c见式(3)，管道中气体流速v见式(4)：

$c=L\&CenterDot;(\frac{1}{t_1}+\frac{1}{t_2})\&CenterDot;(M-N)$ 式(3)

$v=\&CenterDot;\frac{L(M-N)}{\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;(\frac{1}{t_1}+\frac{1}{t_2})\&CenterDot;[\frac{1}{(M-N)(1+\frac{t_1}{t_2})+\sin \mathrm{\&theta;}}-1]$ 式(4)

在本实施例中，为了确定整个管道横截面上的流体平均轴向流动速度，还需要知道流量修正系数K_h，系数K_h是通过在流量计管段内的速度分布剖面导出，由此获得流量计声道上的流速和整个管道的面平均流速v的关系如下式：

$\stackrel{\&OverBar;}{v}=K_h\&CenterDot;v$ 式(5)

根据管道横截面的面积S可以计算出体积流量如下式：

$q_v=K_h\&CenterDot;\frac{\mathrm{SL}(M-N)}{\cos \mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;(\frac{1}{t_1}+\frac{1}{t_2})\&CenterDot;[\frac{1}{(M-N)(1+\frac{t_1}{t_2})+\sin \mathrm{\&theta;}}-1]$ 式(6)

本发明消除了超声波传播速度这个因素对流速测量的影响。流体速度只与管道直径，安装角度，顺流时差和逆流时差有关，与超声波传播速度无关

在本实施例中，在接收端进行互相关检测时可以直接消除环境噪声和电磁辐射的干扰，因为环境噪声和电磁辐射与发射波形不相关；无论是顺流还是逆流测量的都是不同传播途径的时差，排除元件的个性化差异，相同电路和相同元件的时延可以抵消。

在本实施例中，接收端信号判决简单准确。测量接收端信号到达的时差，用互相关法寻找最大值。与时差法超声波测量相比，只需要测量两个接收端波形到达的相对时差，不需要测量传播的绝对时间，不受超声波“拖尾”效应的影响；与传统相关法超声波测量相比，只需测量发射波形经过不同路径传播后有无的相关性，不需要测量发射波形经过介质传播被随机调制后的相关性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于互相关时差法超声波流量的检测方法，其特征在于：包括如下步骤

a.在测量管设置有第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器，所述第一声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器、第四超声波换能器分别通过相应的第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管设置于测量管，将所述第一超声波换能器和第二超声波换能器作为一对，所述第一连接管和第二连接管共线垂直于管道轴向方向设置，所述第三超声波换能器和第四超声波换能器作为一对，所述第三连接管和第四连接管共线并与轴向方向成θ角设置，其中0°<θ<180°，且θ≠90°；

b.将所述第一超声波换能器和第三超声波换能器作为发射端，同时发射相同波形，所述第二超声波换能器和第四超声波换能器作为接收端接收到不同时刻对应的波形，并测出达到的时差；

c.改变步骤b中所有超声波换能器的收发状态，将第二超声波换能器和第四超声波换能器作为发射端，同时发射相同波形，第一超声波换能器和第三超声波换能器作为接收端接收到不同时刻对应的波形，并测出达到的时差；

d.利用步骤b和步骤c的检测结果，计算气体流量。

2.根据权利要求1所述的基于互相关时差法超声波流量的检测方法，其特征在于：所述步骤d包括

d1.将步骤b中检测的时差作为顺流时差，将步骤c中的时差作为逆流时差；

d2.利用顺流时差和逆流时差建立数学模型，计算测量管中的气体流速；

d3.根据气体流速结合测量管管道的横截面积计算气体流量。

3.根据权利要求2所述的基于互相关时差法超声波流量的检测方法，其特征在于：利用如下公式计算步骤d1中所述的顺流时差

其中，D为管道的直径，c为超声波在管道内的传播速度，θ为超声波由第 三超声波换能器传递向第四超声波换能器传播的方向与管道内气体流速方向的夹角，v为气体流动的速度，L为第三超声波换能器和第四超声波换能器的中心线长度,t₁为顺流时差。

4.根据权利要求3所述的基于互相关时差法超声波流量的检测方法，其特征在于：利用如下公式计算步骤d1中所述的逆流时差

其中，D为管道的直径，c为超声波在管道内的传播速度，θ为超声波由第三超声波换能器传递向第四超声波换能器传播的方向与管道内气体流速方向的夹角，v为气体流动的速度，L为第三超声波换能器和第四超声波换能器的中心线长度,t₂为逆流时差。

5.根据权利要求4所述的基于互相关时差法超声波流量的检测方法，其特征在于：利用如下公式获取气体流量

其中，S为管道横截面的面积，K_h为流量修正系数，L为第三超声波换能器和第四超声波换能器的中心距，M和N为临时中间变量，θ为超声波由第三超声波换能器传递向第四超声波换能器传播的方向与管道内气体流速方向的夹角，v为气体流动的速度，t₁为顺流时差,t₂为逆流时差。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的基于互相关时差法超声波流量的检测方法，其特征在于：所述第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器为收发一体的换能器，其中第一超声波换能器和第二超声波换能器结构相同，第三超声波换能器和第四超声波换能器结构相同。

7.一种基于互相关时差法超声波流量的检测装置，其特征在于：包括测量管、超声波换能器和连接管，所述超声波换能器通过连接管与测量管连接。

8.根据权利要求7所述的基于互相关时差法超声波流量的检测装置，其特 征在于：所述超声波换能器包括第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器，所述第一声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器、第四超声波换能器分别通过相应的第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管设置于测量管，所述第一连接管和第二连接管垂直于管道轴向方向设置，所述第三连接管和第四连接管与轴向方向成θ角设置，其中0°<θ<180°，且θ≠90°。

9.根据权利要求7所述的基于互相关时差法超声波流量的检测装置，其特征在于：所述第一连接管和第二连接管共线设置于测量管，所述第三连接管和第四连接管共线设置于测量管。

10.根据权利要求9所述的基于互相关时差法超声波流量的检测装置，其特征在于：所述第一超声波换能器、第二超声波换能器、第三超声波换能器和第四超声波换能器为收发一体的换能器，其中第一超声波换能器和第二超声波换能器结构相同，第三超声波换能器和第四超声波换能器结构相同。