CN106768103A - 一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法。现有的补偿方法会引入了误差，严重影响计量准确度。本发明方法首先获取流量计装置在静态空气下的参数t_0kAB、t_0kBA、△t_0k，将静态空气状态下的时间偏移量△t_0k设置为初始的系统时间偏移量；然后将流量计装置接入工作管路，主控单元定时轮流激发两个换能器，记录每一个周期换能器发出超声波的时间和接收到的时间，得到参数t_sAB和t_sBA；从而获得第一个周期的静态实际测量气体状态下的时间偏移量△t_0s；如果|△t_0s‑△t_0k|≥△τ，将△t_0s设置为下一个周期内的系统时间偏移量，否则下一个周期内的系统时间偏移量仍为△t_0k。本发明方法根据时差法原理，消除微小流量和静态时的错误流量，为用户和服务商提供准确计量。

Description

一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法

技术领域

本发明属于计量仪表技术领域，涉及一种校准时间偏差方法，具体是一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法。

技术背景

超声波流量仪表是以“时差法”为原理，测量管内流体的仪表。超声波流量计装置由多种电路模块、信号处理单元和流体通道三大部分组成。安装在输送气体的管道上，并用超声波原理测量气体流量的流量计，称之为气体超声流量计。

通过“时差法”原理设计的气体超声流量计，是通过对超声波信号和飞行时间进行各种数学分析，进行流量计算的方法，依赖于信号的准确判断和时间精度的保证。“时差法”原理如下：通过激发一端超声波换能器，在另一端接收声波信号，电路获得第一个飞行时间t_AB，同样，反向激发超声波换能器并接收到信号，得到第二个飞行时间t_BA。在流体介质流速的影响下，两个飞行时间存在时间差△t，根据推算可以得出流速V和时间差△t之间的换算关系，进而可以得到流量值Q。计量原理如下(参考图1)：

D＝L sinθ；

气体流速：

式中L为两个换能器之间的距离，θ为两个换能器的连线与气体流向之间的夹角，D为管道的直径。

时差原理计算得到气流速度，再根据体积计算公式，可计算出单位时间t内，通过管段的气体体积，从而获得气体流量：

飞行时间t_AB和t_BA,都需要信号处理模块通过电信号(模拟或数字信号)的特征判断计时开始和结束的时间点，计算获得飞行时间，从而通过“时间法”原理计量流体流量。

现有技术方案采用MCU控制高精度的计时芯片或者计时电路模块(统称计量单元)，通过判断接收信号的幅度作为判断条件，获得超声波在燃气流体中的往返的飞行时间。再简要分析计时芯片记取时间的方法依据，来计算时间差值，从而获得该时间范围内的气体流量。

时间差计量原理中，理想状态的静态时，t_AB＝t_BA。但在实际生产中，由于器件和介质差异，静态时，t_AB和t_BA就存在差异，差值△t₀＝t_AB-t_BA，称之为时间偏移量。所以，在出厂前校表时，通过学习获得固有时间偏移量△t₀，作为计算实际时间差的补偿，从而保持计时时间的准确度。

经测试发现，虽然高品质的计时芯片受温度和压力的影响非常小，并且有数学方法进行适当补偿，时间偏移量△t₀保持得非常稳定。但是计时芯片在自身物理特性的影响下，每一次测量所获得的时间t_AB和t_BA随着一定趋势增大或者缩小的。工程应用中，在不同气体介质的情况下，声音速度变化非常明显，也影响t_AB和t_BA值的大小。当t_AB和t_BA变化较大时，根据上述的气体体积公式，按原有静态条件下的时间偏移量△t₀进行补偿后，气体体积Q的计算方法就引入了误差，尤其是静态或微小流量时，这样的误差严重影响计量准确度。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法。

本发明的具体校准时间偏差的方法如下：

首先在流量计装置的流道内为空气的状态下，气体流速为0，将流量计装置设置成学习状态，获取到静态空气下的参数：t_0kAB、t_0kBA、△t_0k，并存入系统，将△t_0k设置为初始的系统时间偏移量,△t_0k＝t_0kAB-t_0kBA；t_0kAB为静态空气状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_0kBA为静态空气状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间；△t_0k＝t_0kAB-t_0kBA，为静态空气状态下的时间偏移量。

然后将流量计装置接入工作管路，流量计装置的流道内为实际测量气体的状态；流量计装置进入工作状态，流量计装置的MCU(主控单元)定时触发电路信号开关，轮流激发A换能器和B换能器，计时芯片记录每一个周期换能器发出超声波的时间和接收到的时间，得到参数t_sAB和t_sBA；t_sAB为实际测量气体状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_sBA为实际测量气体状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间。一个周期为连续的A换能器发出超声波的时间、B换能器接收到超声波的时间、B换能器发出超声波的时间、A换能器接收到超声波的时间。

通过以上参数，获得第一个周期的静态实际测量气体状态下的时间偏移量△t_0s：

最后进行判断：如果|△t_0s-△t_0k|≥△τ，将△t_0s设置为下一个周期内的系统时间偏移量，即新的时间偏移量补偿值；如果|△t_0s-△t_0k|＜△τ，则下一个周期内的系统时间偏移量仍为△t_0k；△τ为设置的阈值。

每个周期的△t_0s均与△t_0k进行比较，根据结果确定下一个周期超声波流量计的时间偏移量补偿值。

本发明方法能够有效校准补偿的时间偏移量，可以消除微小流量和静态时的错误流量。本发明方法根据时差法原理，利用实际气体介质和空气介质中的时间偏移量间的关系，安装配置时，自动转换补偿的时间偏移量，从而消除微小流量和静态时的错误流量。通过实际检测，本发明可消除的误差量级会达到0.2us左右，换算到流量达到0.2～0.3方/小时。无论是民用还是工商业用，每天的燃气用量误差是非常可观的。本发明的校准补偿时间偏移量的方法能为用户和服务商准确计量，减少大量的财富损失。

附图说明

图1为超声波流量仪表中工作管路及两换能器位置关系图。

具体实施方式

一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法，具体如下：

首先在流量计装置的流道内为空气的状态下，气体流速为0，将流量计装置设置成学习状态，获取到静态空气下的参数：t_0kAB、t_0kBA、△t_0k，并存入系统，将△t_0k设置为初始的系统时间偏移量,△t_0k＝t_0kAB-t_0kBA；t_0kAB为静态空气状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_0kBA为静态空气状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间；△t_0k＝t_0kAB-t_0kBA，为静态空气状态下的时间偏移量。

然后将流量计装置接入工作管路，流量计装置的流道内为实际测量气体的状态；流量计装置进入工作状态，流量计装置的MCU(主控单元)定时触发电路信号开关，轮流激发A换能器和B换能器，计时芯片记录每一个周期换能器发出超声波的时间和接收到的时间，得到参数t_sAB和t_sBA；t_sAB为实际测量气体状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_sBA为实际测量气体状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间。一个周期为连续的A换能器发出超声波的时间、B换能器接收到超声波的时间、B换能器发出超声波的时间、A换能器接收到超声波的时间。

根据以上参数，获得第一个周期的静态实际测量气体状态下的时间偏移量△t_0s：

由时差法原理，

t_AB为超声波在通道中从A换能器到达B换能器的飞行时间，t_BA为超声波在通道中从B换能器到达换能器A的飞行时间；v为气体在通道中的流速，C为超声波在气体介质中的速度；L为A换能器与B换能器之间的距离，θ为A换能器和B换能器连线与气体流向之间的夹角(如图1，图中下方箭头为实际测量气体在管道中流动的方向)。

根据公式(1)得到：

v_k为空气的气体流速，t_kAB为空气状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_kBA为空气状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间，

△t_k＝t_kAB-t_kBA，为空气状态下的时间差；v_s为实际测量气体的气体流速，

△t_s＝t_sAB-t_sBA，为实际测量气体状态下的时间差。

当v_k＝v_s时：

则，当v_k＝v_s＝0时：

t_0sAB为静态实际测量气体状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_0sBA为静态实际测量气体状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间，△t_0s＝t_0sAB-t_0sBA。

由时差法原理(1)计算出：

C_s为超声波在实际测量气体中的速度,v_s为实际测量气体在通道中的流速；

则：

且当v_s＝0时，

C_0s为超声波在静态实际测量气体中的速度。

由于在气体介质中，超声波的速度不受实际测量气体在通道中的流速v_s的影响，即C_0s＝C_s；综合公式(6)和(7)，得到：

由公式(4)得到：

最后进行判断：如果|△t_0s-△t_0k|≥△τ，将△t_0s设置为下一个周期内的系统时间偏移量，即新的时间偏移量补偿值；如果|△t_0s-△t_0k|＜△τ，则下一个周期内的系统时间偏移量仍为△t_0k；△τ为设置的阈值。

每个周期的△t_0s均与△t_0k进行比较，根据结果确定下一个周期超声波流量计的时间偏移量补偿值。

超声波流量计计量过程中，经过时间偏移量补偿后，外部条件不变时，静态瞬时流速为0或低于可计量值。当气体介质变化时，速度变化非常明显，引起了t_AB和t_BA的变化，时间偏移量同样发生变化，但是使用原来的△t_0k补偿后，引入误差，导致实际静态或者微小流量状态下有流速产生，从而错误计量。补偿误差较大时，错误计量值是不可忍受的。安装配置时，通过以上方法自动转换补偿的时间偏移量，从而消除微小流量和静态时的错误流量。

Claims (2)

1.一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法，其特征在于该方法具体是：

首先在流量计装置的流道内为空气的状态下，气体流速为0，将流量计装置设置成学习状态，获取到静态空气下的参数：t_0kAB、t_0kBA、△t_0k，并存入系统，将△t_0k设置为初始的系统时间偏移量,△t_0k＝t_0kAB-t_0kBA；t_0kAB为静态空气状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_0kBA为静态空气状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间；△t_0k＝t_0kAB-t_0kBA，为静态空气状态下的时间偏移量；

然后将流量计装置接入工作管路，流量计装置的流道内为实际测量气体的状态；流量计装置进入工作状态，流量计装置的主控单元定时触发电路信号开关，轮流激发A换能器和B换能器，计时芯片记录每一个周期换能器发出超声波的时间和接收到的时间，得到参数t_sAB和t_sBA；t_sAB为实际测量气体状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_sBA为实际测量气体状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间；一个周期为连续的A换能器发出超声波的时间、B换能器接收到超声波的时间、B换能器发出超声波的时间、A换能器接收到超声波的时间；获得第一个周期的静态实际测量气体状态下的时间偏移量△t_0s：

${\mathrm{\Δt}}_{0s}=\frac{4\·{(t_{sAB}\·t_{sBA})}^2}{t_{0kAB}\·t_{0kBA}\·{(t_{sAB}+t_{sBA})}^2+2\·t_{sAB}\·t_{sBA}(t_{sAB}+t_{sBA})\·{\mathrm{\Δt}}_{0k}}\×{\mathrm{\Δt}}_{0k};$

最后进行判断：如果|△t_0s-△t_0k|≥△τ，将△t_0s设置为下一个周期内的系统时间偏移量，即新的时间偏移量补偿值；如果|△t_0s-△t_0k|＜△τ，则下一个周期内的系统时间偏移量仍为△t_0k；△τ为设置的阈值；

每个周期的△t_0s均与△t_0k进行比较，根据结果确定下一个周期超声波流量计的时间偏移量补偿值。

2.权利要求1所述的一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法，其特征在于确定的静态实际测量气体状态下的时间偏移量△t_0s的具体方法如下：

由时差法原理，

t_AB为超声波在通道中从A换能器到达B换能器的飞行时间，t_BA为超声波在通道中从B换能器到达换能器A的飞行时间；v为气体在通道中的流速，C为超声波在气体介质中的速度；L为A换能器与B换能器之间的距离，θ为A换能器和B换能器连线与气体流向之间的夹角；

根据公式(1)得到：

$v_k=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}\·\frac{{\mathrm{\Δt}}_k}{t_{kAB}\·t_{kBA}},v_s=\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}\·\frac{{\mathrm{\Δt}}_s}{t_{sAB}\·t_{sBA}}---\left(2\right);$

v_k为空气的气体流速，t_kAB为空气状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_kBA为空气状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间，△t_k＝t_kAB-t_kBA，为空气状态下的时间差；v_s为实际测量气体的气体流速，△t_s＝t_sAB-t_sBA，为实际测量气体状态下的时间差；

当v_k＝v_s时：

$\frac{{\mathrm{\Δt}}_s}{{\mathrm{\Δt}}_k}=\frac{t_{sAB}\·t_{sBA}}{t_{kAB}\·t_{kBA}}---\left(3\right);$

则，当v_k＝v_s＝0时：

$\frac{{\mathrm{\Δt}}_{0s}}{{\mathrm{\Δt}}_{0k}}=\frac{t_{0sAB}\·t_{0sBA}}{t_{0kAB}\·t_{0kBA}}---\left(4\right);$

t_0sAB为静态实际测量气体状态下A换能器发出超声波到达B换能器的飞行时间，t_0sBA为静态实际测量气体状态下B换能器发出超声波到达A换能器的飞行时间，△t_0s＝t_0sAB-t_0sBA；

由时差法原理(1)计算出：

$C_s+v_s\·cos\mathrm{\θ}=\frac{L}{t_{sAB}},C_s-v_s\·cos\mathrm{\θ}=\frac{L}{t_{sBA}}---\left(5\right);$

C_s为超声波在实际测量气体中的速度,v_s为实际测量气体在通道中的流速；则：

且当v_s＝0时，

C_0s为超声波在静态实际测量气体中的速度；

由于在气体介质中，超声波的速度不受实际测量气体在通道中的流速v_s的影响，即C_0s＝C_s；综合公式(6)和(7)，得到：

$t_{0sAB}=\frac{2\·t_{sAB}\·t_{sBA}}{t_{sAB}+t_{sBA}},t_{0sBA}=\frac{2\·t_{sAB}\·t_{sBA}}{t_{sAB}+t_{sBA}}-{\mathrm{\Δt}}_{0s}---\left(8\right);$

由公式(4)得到：

${\mathrm{\Δt}}_{0s}=\frac{4\·{(t_{sAB}\·t_{sBA})}^2}{t_{0kAB}\·t_{0kBA}\·{(t_{sAB}+t_{sBA})}^2+2\·t_{sAB}\·t_{sBA}(t_{sAB}+t_{sBA})\·{\mathrm{\Δt}}_{0k}}\×{\mathrm{\Δt}}_{0k}---\left(9\right).$