CN106679744A - 一种基于时差法和多普勒法的超声波测流方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于时差法和多普勒法的超声波测流方法，其步骤为：实现判断声路是否有效，即声路中的两个超声波换能器是否皆正常，若声路有效，则利用时差法计算声路流速；若声路失效，则判断声路中的两只换能器是否全部损坏，若是则测流结束；若仅有一只换能器损坏，则利用多普勒法通过未损坏的一只换能器进行流速测量，进而得到流速测量结果。本发明通过将时差法与多普勒法进行结合，使得当现场声路失效时仍能够继续完成流速测量，以保证超声波流量计测量精度。同时多普勒法和时差法共用换能器，而无需增加任何设备或器件，方便流量计的安装和使用。

Description

一种基于时差法和多普勒法的超声波测流方法

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，特别是一种基于时差法和多普勒法的超声波测流方法。

背景技术

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的工作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，如说明书附图1所示。

这是一个有压管道的流量测量示意图。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。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。

其中为流速与超声波传播路径的夹角，V为平行于轴向的平均流速，C为水中的声速。

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，就可求出水的流速：

如果管道面积为S，进而可以求出管道的瞬时流量：

Q＝V×S (3)

以上采用单声路测流，只要其中一只换能器故障，都无法进行流量测量，采用多声路测流可以弥补这一缺陷，参考说明书附图图2所示，任一测量平面流量计算公式：

其中：ω_i为权重系数，α_i为声道安装高度角，N为一个测量面所采用的声路数，R为管道半径。

但时差式多声路超声流量计在长期使用后，或因安装问题经常出现个别声路无法正常工作的情况。而每个声路都由一对超声波换能器组成，只要其中一只被遮挡或损坏，都将导致该声路失效。虽然某个声路的问题并不影响装置整体的流量测量，但将会明显降低装置的测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：通过将时差法与多普勒法进行结合，使得当现场声路失效时仍能够继续完成流速测量，以保证超声波流量计测量精度。

多普勒法测量流速的原理为：多普勒效应是由于声源与观测者之间存在着相对运动，使观测者听到的声音频率不同于声源所发出声音频率的现象。在水体流量测量中，多普勒测流速公式如下：

其中f_t为声源频率，f_r为从水体中返回的超声波频率，c为流体内的声速，为流速与超声波传播路径的夹角，f_d＝f_r-f_t为多普勒频移。由此通过测量f_d或f_r就可以得到流体流速V。

本发明采取的技术方案具体为：一种基于时差法和多普勒法的超声波测流方法，各条声路由两只超声波换能器构成；方法包括以下步骤：

步骤一，判断声路是否有效，即声路中的两个超声波换能器是否皆正常，若声路有效，则利用时差法计算声路流速；若声路失效，则转至步骤二；

步骤二，判断声路中的两只换能器是否全部损坏，若是则测流结束；若仅有一只换能器损坏，则利用多普勒法通过未损坏的一只换能器进行流速测量，步骤为：

2.1)控制换能器发射超声波，超声波声源频率为f_t；

2.2)待延时时间T后，换能器接收到超声波回波信号，获取超声波回波信号的频率f_r，根据超声波回波信号频率f_r，利用公式：

得到相应声路的流速V结果数据；

式(5)中，为流速与超声波传播路径的夹角，c为流体中的声速。c为已知量或可利用现有技术获取。

进一步的，本发明步骤一中，若声路有效，利用时差法计算声路流速包括以下步骤：

1.1)定义声路由换能器A和换能器B组成，控制换能器A发射超声波，待换能器B接收到超声波信号后，计算超声波由A到B传播方向的传播时间Tu；

1.2)控制换能器B发射超声波，待换能器A接收到超声波信号后，计算超声波由B到A传播方向的传播时间Td；

1.3)根据以下公式(2)计算声路流速V：

本发明的有益效果为：通过采用多普勒法对失效声路的测量功能进行弥补，解决了在时差法声路失效情况下如何利用其中好的换能器继续完成流速测量问题，同时多普勒法和时差法共用换能器，而无需增加任何设备或器件，方便流量计的安装和使用。

附图说明

图1所示为单声路时差法流速测量原理示意图；

图2所示为多声路时差法流速测量原理示意图；

图3所示为本发明方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例进一步描述。

结合图1和图2所示，利用时差法测量流苏时，若单个声路中的任意一个换能器损坏或无法正常工作，则无法利用时差法进行该声路的流速测量。本发明将时差法与多普勒发进行结合，以使得单个声路中有一个换能器无法正常工作时，该声路依旧可以完成流速测量任务。

参考图3所示，本发明基于时差法和多普勒法的超声波测流方法，包括以下步骤：

步骤一，判断声路是否有效，即声路中的两个超声波换能器是否皆正常，若声路有效，则利用时差法计算声路流速，包括以下步骤：

1.1)定义声路由换能器A和换能器B组成，控制换能器A发射超声波，待换能器B接收到超声波信号后，计算超声波由A到B传播方向的传播时间Tu；

1.2)控制换能器B发射超声波，待换能器A接收到超声波信号后，计算超声波由B到A传播方向的传播时间Td；

1.3)根据以下公式(2)计算声路流速V：

若声路失效，则转至步骤二；

步骤二，判断声路中的两只换能器是否全部损坏，若是则测流结束；若仅有一只换能器损坏，则利用多普勒法通过未损坏的一只换能器进行流速测量，步骤为：

2.1)控制换能器发射超声波，超声波声源频率为f_t；

2.2)待延时时间T后，换能器接收到超声波回波信号，获取超声波回波信号的频率f_r，根据超声波回波信号频率f_r，利用公式：

得到相应声路的流速结果数据；

式(5)中，为流速与超声波传播路径的夹角，c为流体中的声速，为已知量。

本发明解决了在时差法声路失效情况下如何利用其中好的换能器继续完成流速测量问题，同时多普勒法和时差法共用换能器，而无需增加任何设备或器件，方便流量计的安装和使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于时差法和多普勒法的超声波测流方法，各条声路由两只超声波换能器构成；其特征是，方法包括以下步骤：

步骤一，判断声路是否有效，即声路中的两个超声波换能器是否皆正常，若声路有效，则利用时差法计算声路流速；若声路失效，则转至步骤二；

步骤二，判断声路中的两只换能器是否全部损坏，若是则测流结束；若仅有一只换能器损坏，则利用多普勒法通过未损坏的一只换能器进行流速测量，步骤为：

2.1)控制换能器发射超声波，超声波声源频率为f_t；

2.2)待延时时间T后，换能器接收到超声波回波信号，获取超声波回波信号的频率f_r，根据超声波回波信号频率f_r，利用公式：

得到相应声路的流速结果数据V；

式(5)中，为流速与超声波传播路径的夹角，C为流体中的声速。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，步骤一中，若声路有效，利用时差法计算声路流速包括以下步骤：

1.1)定义声路由换能器A和换能器B组成，控制换能器A发射超声波，待换能器B接收到超声波信号后，计算超声波由A到B传播方向的传播时间Tu；

1.2)控制换能器B发射超声波，待换能器A接收到超声波信号后，计算超声波由B到A传播方向的传播时间Td；

1.3)根据以下公式(2)计算声路流速V：