CN106643937A - 一种基于超声波流量计的流量测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波流量计的流量测量方法及装置，首先通过零点分析法，确定计算顺流传播时间和逆流传播时间的第一起始点，然后修正了在静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，修正后以第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，依据修正系数获取修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。因此，通过零点分析法确定第一起始点，保证接收到的信号为超声波信号，避免了外界噪声的干扰；并且通过对静水条件下顺流传播时间和逆流传播时间的修正，避免了在静水条件下同一声路上超声波正逆向传播时间差不为零对精度的影响，提高了测量精度。

Description

一种基于超声波流量计的流量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及测量仪器领域，尤其涉及一种基于超声波流量计的流量测量方法及装置。

背景技术

超声波流量计是近年来发展最为迅速的流量计之一，它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流量的测量技术，它具有测量精度高、测量范围宽、安装维护方便等优点。

时差法是采用超声波测量时常用的方法之一，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。然而，现有技术中，在实际测量时，由于流体的流速不均匀以及环境的影响，会影响计算的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种基于超声波流量计的流量测量方法及装置，解决了现有技术中，由于流体流速不均匀以及环境的影响而造成的测量精度不准确的问题。

本发明实施例提供了一种基于超声波流量计的测量方法，所述方法包括：

监测到脉冲驱动信号后，对脉冲数据进行采集，并依据采集到的数据寻找三个相邻的过零点，并判断所述三个相邻的过零点是否为超声波过零点；

若为超声波过零点，依据预设的规则在所述三个过零点中，确定第一起始点；

修正静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，并获取修正系数；

将所述第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，并依据所述修正系数获取顺流传播时间和逆流传播时间；

依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。

可选的，所述依据采集到的数据寻找三个相邻的过零点，并判断所述三个相邻的过零点是否为超声波过零点，包括：

依次获取采集到的测量数据对应的时刻；

依次判断获取到的测量数据对应的时刻是否满足预设的过零规则；

确定满足过零规则的相邻的三个过零点；

判断得到的满足过零规则的三个相邻的过零点是否满足预设的超声波过零规则；

若满足超声波过零规则，表示接收到的信号为超声波信号。

可选的，所述修正静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，并获取修正系数，包括：

在静水条件下，当监测到上游换能器发射第一超声波信号后开始计数，当监测到下游换换能器接收到所述第一超声波信号时停止计数，得到第一计数值；

在静水条件下，当监测到下游换能器发射第二超声波信号后开始计数，当监测到上游换能器接收到所述第二超声波信号时停止计数，并得到第二计数值；

依据预设的修正规则，获取第一计数值对应的第一修正计数值和第二计数值对应的第二修正计数值，并获取正向修正系数和逆向修正系数。

可选的，所述依据所述修正系数获取顺流传播时间和逆流传播时间，包括：

获取顺流的第一瞬时计数值，并将所述第一瞬时计数值与正向修正系数的和与已获得的计数时间间隔相乘获得顺流传播时间；

获取逆流的第二瞬时计数值，并将所述第二瞬时计数值与逆向修正系数的和与已获得的技术时间间隔相乘获得逆流传播时间。

可选的，还包括：

依据液体在管道中的温度，对所述瞬时流量进行修正。

本发明实施例还提供了一种基于超声波流量计的流量测量装置，所述装置包括：

判断单元，用于监测到脉冲信号后，对脉冲数据进行采集，并依据采集到的数据寻找三个相邻的过零点，并判断所述三个相邻的过零点是否为超声波过零点；

确定单元，用于若为超声波过零点，依据预设的规则在所述三个过零点中，确定第一起始点；

第一获取单元，用于修正静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，并获取修正系数；

第二获取单元，将所述第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，并依据所述修正系数获取顺流传播时间和逆流传播时间；

计算单元，用于依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。

可选的，所述判断单元包括：

第一获取子单元，用于依次获取采集到的测量数据对应的时刻；

第一判断子单元，用于依次判断获取到的测量数据对应的时刻是否满足预设的过零规则；

确定子单元，用于确定满足过零规则的相邻的三个过零点；

第二判断子单元，用于判断得到的满足过零规则的三个相邻的过零点是否满足预设的超声波过零规则；

表示子单元，用于若满足超声波过零规则，表示接收到的信号为超声波信号。

可选的，所述第一获取单元包括：

第一计数子单元，用于在静水条件下，当监测到上游换能器发射第一超声波信号后开始计数，当监测到下游换换能器接收到所述第一超声波信号时停止计数，得到第一计数值；

第二计数子单元，用于在静水条件下，当监测到下游换能器发射第二超声波信号后开始计数，当监测到上游换能器接收到所述第二超声波信号时停止计数，并得到第二计数值；

第二获取子单元，用于依据预设的修正规则，获取第一计数值对应的第一修正计数值和第二计数值对应的第二修正计数值，并获取正向修正系数和逆向修正系数。

可选的，第二获取单元包括：

第三获取子单元，用于获取顺流的第一瞬时计数值，并将所述第一瞬时计数值与正向修正系数的和与已获得的计数时间间隔相乘获得顺流传播时间；

第四获取子单元，用于获取逆流的第二瞬时计数值，并将所述第二瞬时计数值与逆向修正系数的和与已获得的技术时间间隔相乘获得逆流传播时间。

可选的，还包括：

修正单元，用于依据液体在管道中的温度，对所述瞬时流量进行修正。

本发明实施例提供了一种基于超声波流量计的流量测量方法，首先通过零点分析法，确定计算顺流传播时间和逆流传播时间的第一起始点，然后修正了在静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，修正后以第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，依据修正系数获取修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。因此，通过零点分析法确定第一起始点，保证接收到的信号为超声波信号，避免了外界噪声的干扰；并且通过对静水条件下顺流传播时间和逆流传播时间的修正，避免了在静水条件下同一声路上超声波正逆向传播时间差不为零对精度的影响，提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于超声波流量计的流量测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于超声波流量计的流量测量方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的一种基于超声波流量计的流量测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1，示出了本发明实施例一种基于超声波流量计的流量测量方法的流程示意图。在本实施例中，所述方法可以包括：

S101：监测到脉冲驱动信号后，对脉冲数据进行采集，并依据采集到的数据寻找三个相邻的过零点，并判断所述三个相邻的过零点是否为超声波过零点。

S102：若为超声波过零点，依据预设的规则在所述三个过零点中，确定第一起始点。

本实施例中，依据采集到的数据寻找三个相邻的过零点，并判断所述三个相邻的过零点是否为超声波过零点，具体可以包括:依次获取采集到的测量数据对应的时刻；依次判断获取到的测量数据对应的时刻是否满足预设的归零规则；确定满足过零规则的相邻的三个过零点；判断得到的满足过零规则的三个相邻的过零点是否满足预设的超声波过零规则；若满足超声波过零规则，表示接收到的信号为超声波信号。

本实施例中，发动脉冲驱动信号后，启动超声波流量计的模数转换器进行数据采集，采集的数据可以为i，采集数据的时刻为Z_i，其中，i为接收信号中待分析数据的编号且为自然数。将采集到的i个数据进行分析，并判断Z_i是否满足预设的归零规则，若满足，则该时刻为过零点。

其中，预设的过零规则可以包括以下三个规则：

第一规则：当前点幅值等于零；

第二规则：当前点幅值小于零但下一个点幅值大于零；

第三规则：当前点幅值大于零但下一个点的幅值小于零。

本实施例中，需要说明的是，只要满足以上3个规则中的任意一个则表明满足过零规则。

选择三个满足以上过零规则的三个时刻点，并判断选择的相邻的三个过零点是否满足预设的超声波过零规则，假设确定的三个相邻的过零点可以为：Z_q-1、Z_q、Z_q+1，则预设的超声波过零规则可以包括：

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

2)：超声波信号半波长*(1-δ₂)≤Z_q与Z_q+1间半波长≤超声波半波长*(1+δ₁)；

3)第二规则：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，按照以上条件对波形进行分析。本实施例中，这三个过零点中，首次满足超声波过零规则的第一个过零点，即为超声波信号的到达时刻，即可以将该点确定为第一起始点。若找到的三个相邻的过零点不满足超声波过零点，则重新执行S101寻找过零点。

S103：修正静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，并获取修正系数。

本实施例中，在静水条件下，同一声路上超声波正逆向传播的时间应该相等，正逆向时间差为零，声路流速也为零，但是若是同一声路上的换能器没有对准，在静水条件下，同一声路上的超声波正、逆向传播的时间差不为零，声路也会有一个小小的流速值，然而，此时不应该有这样的小流量，因此，在计算流量时会将该小流量也算入在内，影响计算的流量的精度，因此，为了解决该问题，S103具体可以包括：

S201：在静水条件下，当监测到上游换能器发射的第一超声波信号后开始计数，当监测到下游换能器接收到所述第一超声波信号时停止计数，得到第一计数值。

S202：在静水条件下，当监测到下游换能器发射第二超声波信号后开始计数，当监测到上游换能器接收到所述第二超声波信号时停止计数，并得到第二计数值。

S203：依据预设的修正规则，获取第一计数值对应的第一修正计数值和第二修正计数值，并获取正向修正系数和逆向修正系数。

本实施例中，假设在静水条件下，得到的第一计数值为N₁，第二计数值为N₂；若N₁>N₂,则取ΔN＝N₁-N₂，当ΔN为偶数时，正向修正系数为-ΔN/2,第一修正计数值为N₁’＝N₁-ΔN/2，逆向修正系数为ΔN/2，第二修正计数值为N₂’＝N₂+ΔN/2；当ΔN为奇数时，令ΔN’＝ΔN+1，正向修正系数为-ΔN’/2,第一修正计数值为N₁’＝N₁-ΔN’，逆向修正系数为ΔN’/2，第二修正计数值为N₂’＝N₂+ΔN’/2。若N₁<N₂,则取ΔN＝N₁-N₂,当ΔN为偶数时，正向修正系数为-ΔN/2,第一修正计数值为N₁’＝N₁-ΔN/2，逆向修正系数为ΔN/2，第二修正计数值为N₂’＝N₂+ΔN/2。令第一修正计数等于第二修正计数，则正向传播和逆向传播的总计数不变，实现了在静水条件下使流量调零。

S104：将所述第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，并依据所述修正系数获取修正后的顺流传播时间和逆流传播时间。

本实施例中，向数模转换模块发送测量指令，其中，所述测量指令包括：顺流测量指令和逆流测量指令。当数模转换模块接收到顺流测量指令后，对顺流传播开始计数，假设得到的计数值为N₁，当数据转换模块接收到逆流测量指令后，对逆流传播开始计数，假设得到的计数值为N₂，假设计数的时间间隔为Δt，则顺流传播时间T₁＝(N₁+正向修正系数)*Δt，逆流传播时间T₂＝(N₂+逆向修正系数)*Δt。

S105：依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。

本实施例中，获得顺流传播时间和逆流传播时间后，首先计算瞬时流速，可以通过以下的公式1)获得；

然后，可以通过下的公式获得瞬时流量其中，q表示瞬时流量，k为流速分布修正系数，该系数是技术人员预设的一个系数；d为管体的内径。

本实施例中，由于管体内液体的温度，也会对最终瞬时流量的计算产生影响，为了避免由于温度而造成计算得到的瞬时流量出现误差，因此，本实施例还可以包括：依据液体在管道中的温度，对所述瞬时流量进行修正。

本实施例中，首先测量出液体在管体内的温度，根据温度查表获得液体的动力粘滞系数α和液体的密度β，然后根据实际管道结构和管径判断出流场的层流、过度流和紊流状态所对应的雷诺数Re，最后根据Re的值，计算流速分布修正系数k的值。其中k与温度的函数为：k＝k(q，T),将该函数拟合为线性曲线函数为k＝α*(80℃-T)+β。其中，T表示液体的温度，q表示未经修正的体积流量。依据以下的公式2),计算修正后的瞬时流量,其中，Q表示修正后的瞬时流量，f为每秒测量的次数，可根据情况进行设定。

本实施例中，首先通过零点分析法，确定计算顺流传播时间和逆流传播时间的第一起始点，然后修正了在静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，修正后以第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，依据修正系数获取修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。因此，通过零点分析法确定第一起始点，保证接收到的信号为超声波信号，避免了外界噪声的干扰；并且通过对静水条件下顺流传播时间和逆流传播时间的修正，避免了在静水条件下同一声路上超声波正逆向传播时间差不为零对精度的影响，提高了测量精度。

参考图3，示出了本发明实施例一种基于超声波流量计的流量测量装置的结构示意图。在本实施例中，所述装置可以包括：

判断单元301，用于监测到脉冲信号后，对脉冲数据进行采集，并依据采集到的数据寻找三个相邻的过零点，并判断所述三个相邻的过零点是否为超声波过零点；

确定单元302，用于若为超声波过零点，依据预设的规则在所述三个过零点中，确定第一起始点；

第一获取单元303，用于修正静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，并获取修正系数；

第二获取单元304，用于将所述第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，并依据所述修正系数获取顺流传播时间和逆流传播时间；

计算单元305，用于依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。

可选的，所述判断单元包括：

第一获取子单元，用于依次获取采集到的测量数据对应的时刻；

第一判断子单元，用于依次判断获取到的测量数据对应的时刻是否满足预设的过零规则；

确定子单元，用于确定满足过零规则的相邻的三个过零点；

第二判断子单元，用于判断得到的满足过零规则的三个相邻的过零点是否满足预设的超声波过零规则；

表示子单元，用于若满足超声波过零规则，表示接收到的信号为超声波信号。

可选的，所述第一获取单元包括：

第一计数子单元，用于在静水条件下，当监测到上游换能器发射第一超声波信号后开始计数，当监测到下游换换能器接收到所述第一超声波信号时停止计数，得到第一计数值；

第二计数子单元，用于在静水条件下，当监测到下游换能器发射第二超声波信号后开始计数，当监测到上游换能器接收到所述第二超声波信号时停止计数，并得到第二计数值；

第二获取子单元，用于依据预设的修正规则，获取第一计数值对应的第一修正计数值和第二计数值对应的第二修正计数值，并获取正向修正系数和逆向修正系数。

可选的，所述第二获取单元包括：

第三获取子单元，用于获取顺流的第一瞬时计数值，并将所述第一瞬时计数值与正向修正系数的和与已获得的计数时间间隔相乘获得顺流传播时间；

第四获取子单元，用于获取逆流的第二瞬时计数值，并将所述第二瞬时计数值与逆向修正系数的和与已获得的技术时间间隔相乘获得逆流传播时间。

可选的，还包括：

修正单元，用于依据液体在管道中的温度，对所述瞬时流量进行修正。

通过本实施例提供的装置，首先通过零点分析法，确定计算顺流传播时间和逆流传播时间的第一起始点，然后修正了在静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，修正后以第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，依据修正系数获取修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。因此，通过零点分析法确定第一起始点，保证接收到的信号为超声波信号，避免了外界噪声的干扰；并且通过对静水条件下顺流传播时间和逆流传播时间的修正，避免了在静水条件下同一声路上超声波正逆向传播时间差不为零对精度的影响，提高了测量精度。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于超声波流量计的流量测量方法，其特征在于，所述方法包括：

监测到脉冲驱动信号后，对脉冲数据进行采集，并依据采集到的数据寻找三个相邻的过零点，并判断所述三个相邻的过零点是否为超声波过零点；

若为超声波过零点，依据预设的规则在所述三个过零点中，确定第一起始点；

修正静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，并获取修正系数；

将所述第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，并依据所述修正系数获取修正后的顺流传播时间和逆流传播时间；

依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述依据采集到的数据寻找三个相邻的过零点，并判断所述三个相邻的过零点是否为超声波过零点，包括：

依次获取采集到的测量数据对应的时刻；

依次判断获取到的测量数据对应的时刻是否满足预设的过零规则；

确定满足过零规则的相邻的三个过零点；

判断得到的满足过零规则的三个相邻的过零点是否满足预设的超声波过零规则；

若满足超声波过零规则，表示接收到的信号为超声波信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述修正静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，并获取修正系数，包括：

在静水条件下，当监测到上游换能器发射第一超声波信号后开始计数，当监测到下游换换能器接收到所述第一超声波信号时停止计数，得到第一计数值；

在静水条件下，当监测到下游换能器发射第二超声波信号后开始计数，当监测到上游换能器接收到所述第二超声波信号时停止计数，并得到第二计数值；

依据预设的修正规则，获取第一计数值对应的第一修正计数值和第二计数值对应的第二修正计数值，并获取正向修正系数和逆向修正系数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述依据所述修正系数获取顺流传播时间和逆流传播时间，包括：

获取顺流的第一瞬时计数值，并将所述第一瞬时计数值与正向修正系数的和与已获得的计数时间间隔相乘获得顺流传播时间；

获取逆流的第二瞬时计数值，并将所述第二瞬时计数值与逆向修正系数的和与已获得的技术时间间隔相乘获得逆流传播时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

依据液体在管道中的温度，对所述瞬时流量进行修正。

6.一种基于超声波流量计的流量测量装置，其特征在于，所述装置包括：

判断单元，用于监测到脉冲信号后，对脉冲数据进行采集，并依据采集到的数据寻找三个相邻的过零点，并判断所述三个相邻的过零点是否为超声波过零点；

确定单元，用于若为超声波过零点，依据预设的规则在所述三个过零点中，确定第一起始点；

第一获取单元，用于修正静水条件下顺流传播和逆流传播的时间差，并获取修正系数；

第二获取单元，用于将所述第一起始点作为接收到超声波信号的起始时刻，并依据所述修正系数获取顺流传播时间和逆流传播时间；

计算单元，用于依据修正后的顺流传播时间和逆流传播时间，计算瞬时流量。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述判断单元包括：

第一获取子单元，用于依次获取采集到的测量数据对应的时刻；

第一判断子单元，用于依次判断获取到的测量数据对应的时刻是否满足预设的过零规则；

确定子单元，用于确定满足过零规则的相邻的三个过零点；

第二判断子单元，用于判断得到的满足过零规则的三个相邻的过零点是否满足预设的超声波过零规则；

表示子单元，用于若满足超声波过零规则，表示接收到的信号为超声波信号。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述第一获取单元包括：

第一计数子单元，用于在静水条件下，当监测到上游换能器发射第一超声波信号后开始计数，当监测到下游换换能器接收到所述第一超声波信号时停止计数，得到第一计数值；

第二计数子单元，用于在静水条件下，当监测到下游换能器发射第二超声波信号后开始计数，当监测到上游换能器接收到所述第二超声波信号时停止计数，并得到第二计数值；

第二获取子单元，用于依据预设的修正规则，获取第一计数值对应的第一修正计数值和第二计数值对应的第二修正计数值，并获取正向修正系数和逆向修正系数。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二获取单元包括：

第三获取子单元，用于获取顺流的第一瞬时计数值，并将所述第一瞬时计数值与正向修正系数的和与已获得的计数时间间隔相乘获得顺流传播时间；

第四获取子单元，用于获取逆流的第二瞬时计数值，并将所述第二瞬时计数值与逆向修正系数的和与已获得的技术时间间隔相乘获得逆流传播时间。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

修正单元，用于依据液体在管道中的温度，对所述瞬时流量进行修正。