CN106768103B - 一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法 - Google Patents

一种超声波流量计自动校准时间偏差的方法 Download PDF

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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t0kAB、t0kBA、△t0k,将静态空气状态下的时间偏移量△t0k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tsAB和tsBA;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△t0s;如果|△t0s‑△t0k|≥△τ,将△t0s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△t0k。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tAB,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tBA。在流体介质流速的影响下,两个飞行时间存在时间差Δt,根据推算可以得出流速V和时间差Δt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=Lsinθ;
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tAB和tBA,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,tAB=tBA。但在实际生产中,由于器件和介质差异,静态时,tAB和tBA就存在差异,差值Δt0=tBA-tAB,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Δt0,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Δt0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tAB和tBA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tAB和tBA值的大小。当tAB和tBA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Δt0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:t0kAB、t0kBA、Δt0k,并存入系统,将Δt0k设置为初始的系统时间偏移量;t0kAB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,t0kBA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;Δt0k=t0kBA-t0kAB,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tsAB和tsBA;tsAB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,tsBA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Δt0s
最后进行判断:如果|Δt0s-Δt0k|≥Δτ,将Δt0s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|Δt0s-Δt0k|<Δτ,则下一个周期内的系统时间偏移量仍为Δt0k;Δτ为设置的阈值。
每个周期的Δt0s均与Δt0k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:t0kAB、t0kBA、Δt0k,并存入系统,将Δt0k设置为初始的系统时间偏移量;t0kAB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,t0kBA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;Δt0k=t0kBA-t0kAB,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tsAB和tsBA;tsAB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,tsBA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Δt0s
由时差法原理,tAB为超声波在通道中从A换能器到达B换能器的飞行时间,tBA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:
vk为空气的气体流速,tkAB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,tkBA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,Δtk=tkBA-tkAB,为空气状态下的时间差;vs为实际测量气体的气体流速,Δts=tsBA-tsAB,为实际测量气体状态下的时间差。
当vk=vs时:
则,当vk=vs=0时:
t0sAB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,t0sBA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,Δt0s=t0sBA-t0sAB
由时差法原理(1)计算出:
Cs为超声波在实际测量气体中的速度,vs为实际测量气体在通道中的流速;
则:
且当vs=0时,
C0s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vs的影响,即C0s=Cs;综合公式(6)和(7),得到:
由公式(4)得到:
最后进行判断:如果|Δt0s-Δt0k|≥Δτ,将Δt0s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|Δt0s-Δt0k|<Δτ,则下一个周期内的系统时间偏移量仍为Δt0k;Δτ为设置的阈值。
每个周期的Δt0s均与Δt0k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tAB和tBA的变化,时间偏移量同样发生变化,但是使用原来的Δt0k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:t0kAB、t0kBA、Δt0k,并存入系统,将Δt0k设置为初始的系统时间偏移量;t0kAB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,t0kBA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;Δt0k=t0kBA-t0kAB,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tsAB和tsBA;tsAB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,tsBA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Δt0s
最后进行判断:如果|Δt0s-Δt0k|≥Δτ,将Δt0s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|Δt0s-Δt0k|<Δτ,则下一个周期内的系统时间偏移量仍为Δt0k;Δτ为设置的阈值;
每个周期的Δt0s均与Δt0k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.根据权利要求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Δt0s的具体方法如下:
由时差法原理,
tAB为超声波在通道中从A换能器到达B换能器的飞行时间,tBA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:
vk为空气的气体流速,tkAB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,tkBA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,Δtk=tkBA-tkAB,为空气状态下的时间差;vs为实际测量气体的气体流速,Δts=tsBA-tsAB,为实际测量气体状态下的时间差;
当vk=vs时:
则,当vk=vs=0时:
t0sAB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,t0sBA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,Δt0s=t0sBA-t0sAB
由时差法原理(1)计算出:
Cs为超声波在实际测量气体中的速度,vs为实际测量气体在通道中的流速;则:
且当vs=0时,
C0s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vs的影响,即C0s=Cs;综合公式(6)和(7),得到:
由公式(4)得到:
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