CN106932040A - 一种气体流量的计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计量仪表技术领域，具体涉及一种气体流量的计量方法。其包括如下步骤：控制第一超声波探头向第二超声波探头发送超声波信号，接收第二超声波探头反馈的根据第一超声波探头至第二超声波探头的超声波信号，得到上行飞行时间t_up10；控制第二超声波探头向第一超声波探头发送超声波信号，接收第一超声波探头反馈的根据第二超声波探头至第一超声波探头的超声波信号，得到下行飞行时间t_dw10；根据硬件延时时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正，并计算采样时的超声波的实时声速c₀；根据实时声速c₀计算实时流速v₀；根据实时流速v₀和流道横截面积S计算实时流量Q₀。本发明的计算方法得到实时流量Q₀更加准确，进而的到的标准气体体积dVc也更加准确。

Description

一种气体流量的计量方法

技术领域

本发明涉及计量仪表技术领域，具体涉及一种气体流量的计量方法。

背景技术

由于人们对环境的关注度越来越高，燃气作为较清洁环保的能源得到了越来越广泛的关注及应用，而随之的燃气输气管道的兴建与普及，燃气表如雨后春笋般涌现，从机械式到电子式，从膜式到超声波，新概念新技术的不断涌现，体现着人们对高品质的追求，超声波燃气表作为一种更高科技，优化结构、解决成本问题的新模式应运而生。为了适应然气行业的发展需求，特别是燃气公司对然气计量的需求，然气计量方法得到超声波燃气表厂家的广泛关注。

目前，现有技术中如中国专利文献CN106404084A，公开了一种测量气体流量的方法，包括以下步骤：环绕气体管道布置超声波流量计的超声波收发装置，利用超声波收发装置发送穿过气体的超声波，并采集回波信号，在回波信号的采样数据中选取两个采样点，两个采样点的连线与基准电平线的交点时刻记为T₃，超声波回波信号的周期为T，超声波发送的时刻记为T₀，回波信号的起始时刻为T₁，T₁与T₃之间回波信号的周期个数为n；超声波的传输时t计算公式如下：t＝T₃-T₀-nT:利用传输时间计算气体流量。

上述专利文献的测量气体流量的方法，直接利用的是上下游超声波探头对超声波顺向传输时间和超声波逆向传输时间的测定来计算超声波流量的，但在测定过程中，没有考虑到超声波探头等硬件的延时时间，测得的超声波顺向传输时间和超声波逆向传输时间不准确，最终将导致计算出的气体流量值不太准确，燃气公司的利益受到了损害，且该测量气体流量的方法中没有考虑到超声波不在流体中传播的距离，因此，只能适用于将超声波探头设置在流道壁内侧的情况下，而不能适用于将超声波探头设置在流道壁外侧的情况，局限了超声波探头的设置位置。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有产品的测量气体流量的方法测量得到的流量值不准确的问题，提供一种计量流量值准确的气体流量的计量方法。

为解决上述问题，本发明的一种气体流量的计量方法，包括如下步骤：

(S1)控制第一超声波探头，使得所述第一超声波探头向第二超声波探头发送超声波信号，接收所述第二超声波探头反馈的根据所述第一超声波探头至所述第二超声波探头的超声波信号，得到上行飞行时间t_up10；

(S2)控制所述第二超声波探头，使得所述第二超声波探头向所述第一超声波探头发送超声波信号，接收所述第一超声波探头反馈的根据所述第二超声波探头至所述第一超声波探头的超声波信号，得到下行飞行时间t_dw10；

(S3)根据硬件延时时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正，并根据所述修正后的上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw计算采样时的超声波的实时声速c₀；

(S4)根据所述实时声速c₀计算实时流速v₀；

(S5)根据实时流速v₀和流道横截面积S计算实时流量Q₀。

其中，步骤(S3)中计算公式为：

式中：L流场中超声波传输路径长度；c₀流场中超声波的速度；θ第一超声波探头1和第二超声波探头2的连线与流场方向的夹角；v₀流场中气体的速度；t_del硬件电路的延时时间。

在步骤(S3)中，根据硬件延时时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正之前还包括如下步骤：

对得到的下行飞行时间t_dw10与历史下行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的下行飞行时间t_dw，同时对得到的上行飞行时间t_up10与历史上行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的上行飞行时间t_up。

其中，带遗忘因子的计算公式为：

t_up＝t_up10*α_up10+t_up11*α_up11+t_up12*α_up12++t_up13*α_up13+…+t_up1n*α_up1n；

t_dw＝t_dw10*α_dw10+t_dw11*α_dw11+t_dw12*α_dw12++t_dw13*α_dw13+…+t_dw1n*α_dw1n；

式中：t_up表示经过遗忘因子计算后得到的上行飞行时间；t_up10表示当前得到的上行飞行时间；α_up10表示当前上行飞行时间的遗忘因子；t_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间；α_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间的遗忘因子；t_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间；α_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间的遗忘因子；

式中：t_dw表示经过遗忘因子计算后得到的下行飞行时间；t_dw10表示当前得到的下行飞行时间；α_dw10表示当前下行飞行时间的遗忘因子；t_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间；α_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间的遗忘因子；t_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间；α_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间的遗忘因子。

在步骤(S3)之前还接收温度传感器反馈的温度值temp和压力传感器反馈的压力值press。

第一超声波探头和第二超声波探头设置在气体流场外侧，所述步骤(S3)中同时根据超声波不在气体流场中的传输时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正。

其中，上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正的计算公式为：

式中：L流场中超声波传输路径长度；L₁不流场中超声波传输路径长度；c₀流场中超声波的速度；θ第一超声波探头和第二超声波探头的连线与流场方向的夹角；v₀流场中气体的速度；t_del硬件电路的延时时间。

对所述步骤(S5)中的实时流量Q₀进行校正，得到校正后的瞬时流量Q。

其中，校正公公式为：

Q＝kQ₀+b；

式中：Q矫正后的气体瞬时流量；Q₀实时流量；k、b矫正参数。

还包括根据瞬时流量Q计算采样电路增益系数；

校正后瞬时流量Q小于等于0.5倍超声波燃气表规定允许的最大流量Q_max时，可以得到固定的上行采样电路增益系数和下行采样电路增益系数Age_upn；

校正后瞬时流量Q大于等于0.5倍超声波燃气表规定允许的最大流量Q_max时，需要将流量区间分为若干段，计算每段的上行采样电路增益系数和下行采样电路增益系数Age_dwn。

其中，在所述步骤S1前还包括，根据前一次采样周期计算得到的采样电路增益系数调整采样电路的增益。

还包括根据瞬时流量Q计算单位时间内通过燃气表气体的体积dV。

根据单位时间内通过燃气表的气体体积dV进行温度补偿和压力补偿计算单位时间内的标准气体体积dVc，计算公式为：

dVc＝dV*(1+zt+zp)；

式中zt、zp为温度和压力补偿系数；temp为燃气表气体的实时温度；press为燃气表内气体的压力。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明中，根据硬件延时时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正，并计算采样时的超声波的实时声速c₀，使得计算得到的超声波的实时声速c₀、实时流速v₀及实时流量Q₀更加准确。同时，在本发明中，可根据上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10计算采样时的超声波的实时声速c₀，不需要额外增加独立测量声速的模块，减少超声波燃气表的成本。

2.本发明中，在对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行硬件延时的修正前，对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行带遗忘因子的修正，得到修正后的上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw，用历史的上行飞行时间和下行飞行时间通过遗忘因子的大小对得到的上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行影响，使得修正后的上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw更加准确。

3.本发明中，当第一超声波探头和第二超声波探头设置在气体流场外侧时，步骤(S3)中同时根据超声波不在气体流场中的传输时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正以使通过上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10计算得到的超声波的实时声速c₀更加准确，即不限制超声波探头设置在流道中的位置，超声波探头设置的位置更加灵活，以满足不同情况下超声波探头的安装。

4.本发明中，对所述步骤(S5)中的所述实时流量Q₀进行校正，降低在实际测量时其他因素对实时流量Q₀的影响，得到的校正后瞬时流量Q更加准确。

5.本发明中，在校正后瞬时流量Q小于等于0.5倍超声波燃气表规定允许的最大流量Q_max时，采样电路接收的信号较稳定不需要进行增益调节，校正后瞬时流量Q大于等于0.5倍超声波燃气表规定允许的最大流量Q_max时，采样电路接收的信号不能达到要求，如测量到的第二个发射波的高度不够高，此时对采样电路的增益系数进行调节，使采样电路接收的信号能达到要求，得到的上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10更加准确，使得计算实时流量Q₀更加准确，进而形成一个闭环反馈。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种实施方式中提供的超声波流道示意图；

附图标记说明：

1-第一超声波探头；2-第二超声波探头；3-流道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，当气体不流动时，声脉冲以相同的速度在两个方向上传播。如果管道中的气体有一定流速(该流速不等于零)，则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。这样，顺流传输时间会短些，而逆流传输时间会长些，这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言。在本发明实施例中采用传播速度差法来计算流量。

实施例一：

本实施例的一种气体流量的计量方法，包括如下步骤：

(S1)采样芯片控制第一超声波探头1，使得所述第一超声波探头1向第二超声波探头2发送超声波信号，采样芯片接收所述第二超声波探头2反馈的根据所述第一超声波探头1至所述第二超声波探头2的超声波信号，得到上行飞行时间t_up10；

(S2)采样芯片控制所述第二超声波探头2，使得所述第二超声波探头2向所述第一超声波探头1发送超声波信号，采样芯片接收所述第一超声波探头1反馈的根据所述第二超声波探头2至所述第一超声波探头1的超声波信号，得到下行飞行时间t_dw10；

(S3)根据硬件延时时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正，并计算采样时的超声波的实时声速c₀；

(S4)根据所述实时声速c₀计算实时流速v₀；

(S5)根据实时流速v₀和流道3横截面积S计算实时流量Q₀。

其中，步骤(S3)中计算公式为：

式中：L流场中超声波传输路径长度；c₀流场中超声波的速度；θ第一超声波探头1和第二超声波探头2的连线与流场方向的夹角；v₀流场中气体的速度；t_del硬件电路的延时时间。

在本实施例中，还包括控制芯片，由控制芯片发送一次指令给采样芯片，采样芯片会控制第一超声波探头1或第二超声波探头2向第二超声波探头2或第一超声波探头1发送超声波信号，采样芯片接收第二超声波探头2或第一超声波探头1反馈的超声波信号，将得到上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10传递给控制芯片，由控制芯片进行上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10的修正，以及计算采样时的超声波的实时声速c₀、实时流速v₀和实时流量Q₀。

其中，本实施例中硬件延时时间包括：电延迟时间，仪器内部电路转换及信号线传递时间；电声转换时间，发射换能器电脉冲加到压电体瞬间到产生振动发出声波瞬间存在电声转换的延迟，接收换能器类似；声延迟，换能器辐射出或接收的超声波通过换能器壳体，再通过耦合介质层(气体)的时间。

本实施例中，将硬件延时时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正，并计算采样时的超声波的实时声速c₀，没有了硬件延时时间对实时声速c₀影响，数据更加准确，计算得到的采样时的超声波的实时流速v₀及实时流量Q₀也更加准确。

如图1所示，第一超声波探头1设置在第二超声波探头2的上游，本实施例中的气体流量的计量方法的流道3横截面积不限制为圆形，可以为方形或是椭圆形等。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于步骤(S3)，即气体流量的计量方法，包括如下步骤：

(S1)采样芯片控制第一超声波探头1，使得所述第一超声波探头1向第二超声波探头2发送超声波信号，采样芯片接收所述第二超声波探头2反馈的根据所述第一超声波探头1至所述第二超声波探头2的超声波信号，得到上行飞行时间t_up10；

(S2)采样芯片控制所述第二超声波探头2，使得所述第二超声波探头2向所述第一超声波探头1发送超声波信号，采样芯片接收所述第一超声波探头1反馈的根据所述第二超声波探头2至所述第一超声波探头1的超声波信号，得到下行飞行时间t_dw10；

(S3)对得到的下行飞行时间t_dw10与历史下行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的下行飞行时间t_dw，同时对得到的上行飞行时间t_up10与历史上行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的上行飞行时间t_up；再根据硬件延时时间对上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw进行修正，并计算采样时的超声波的实时声速c₀；

(S4)根据所述实时声速c₀计算实时流速v₀；

(S5)根据实时流速v₀和流道3横截面积S计算实时流量Q₀。

其中，带遗忘因子的计算公式为：

t_up＝t_up10*α_up10+t_up11*α_up11+t_up12*α_up12++t_up13*α_up13+…+t_up1n*α_up1n；

t_dw＝t_dw10*α_dw10+t_dw11*α_dw11+t_dw12*α_dw12++t_dw13*α_dw13+…+t_dw1n*α_dw1n；

式中：t_up表示经过遗忘因子计算后得到的上行飞行时间；t_up10表示当前得到的上行飞行时间；α_up10表示当前上行飞行时间的遗忘因子；t_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间；α_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间的遗忘因子；t_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间；α_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间的遗忘因子；

式中：t_dw表示经过遗忘因子计算后得到的下行飞行时间；t_dw10表示当前得到的下行飞行时间；α_dw10表示当前下行飞行时间的遗忘因子；t_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间；α_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间的遗忘因子；t_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间；α_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间的遗忘因子。

根据硬件延时时间对上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw进行修正的公式为：

式中：t_up上行飞行时间；t_dw下行飞行时间；L流场中超声波传输路径长度；c₀流场中超声波的速度；θ第一超声波探头1和第二超声波探头2的连线与流场方向的夹角；v₀流场中气体的速度；t_del硬件电路的延时时间。

用历史的上行飞行时间和下行飞行时间通过遗忘因子的大小对得到的上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行影响，使得修正后的上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw更加准确，进而计算得到的采样时的超声波的实时声速c₀及实时流量Q₀也更加准确。

实施例三：

本实施例与实施例二的区别也在于步骤(S3)，即气体流量的计量方法，包括如下步骤：

(S1)采样芯片控制第一超声波探头1，使得所述第一超声波探头1向第二超声波探头2发送超声波信号，采样芯片接收所述第二超声波探头2反馈的根据所述第一超声波探头1至所述第二超声波探头2的超声波信号，得到上行飞行时间t_up10；

(S2)采样芯片控制所述第二超声波探头2，使得所述第二超声波探头2向所述第一超声波探头1发送超声波信号，采样芯片接收所述第一超声波探头1反馈的根据所述第二超声波探头2至所述第一超声波探头1的超声波信号，得到下行飞行时间t_dw10；

(S3)对得到的下行飞行时间t_dw10与历史下行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的下行飞行时间t_dw，同时对得到的上行飞行时间t_up10与历史上行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的上行飞行时间t_up；再根据硬件延时时间和超声波不在气体流场中的传输时间对上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw进行修正，并计算采样时的超声波的实时声速c₀；

(S4)根据所述实时声速c₀计算实时流速v₀；

(S5)根据实时流速v₀和流道3横截面积S计算实时流量Q₀。

其中，带遗忘因子的计算公式为：

t_up＝t_up10*α_up10+t_up11*α_up11+t_up12*α_up12++t_up13*α_up13+…+t_up1n*α_up1n；

t_dw＝t_dw10*α_dw10+t_dw11*α_dw11+t_dw12*α_dw12++t_dw13*α_dw13+…+t_dw1n*α_dw1n；

式中：t_up表示经过遗忘因子计算后得到的上行飞行时间；t_up10表示当前得到的上行飞行时间；α_up10表示当前上行飞行时间的遗忘因子；t_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间；α_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间的遗忘因子；t_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间；α_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间的遗忘因子；

式中：t_dw表示经过遗忘因子计算后得到的下行飞行时间；t_dw10表示当前得到的上行飞行时间；α_dw10表示当前下行飞行时间的遗忘因子；t_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间；α_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间的遗忘因子；t_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间；α_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间的遗忘因子。

根据硬件延时时间和超声波不在气体流场中的传输时间对上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw进行修正的公式为：

进而推算得到实时声速c₀计算公式为：

式中：t_up上行飞行时间；t_dw下行飞行时间；L流场中超声波传输路径长度；L₁不流场中超声波传输路径长度；c₀流场中超声波的速度；θ第一超声波探头1和第二超声波探头2的连线与流场方向的夹角；v₀流场中气体的速度；t_del硬件电路的延时时间。

当第一超声波探头1和第二超声波探头2设置在气体流场外侧时，步骤(S3)中根据超声波不在气体流场中的传输时间对上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw修正，利用修正后的上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw计算的实时声速c₀更加准确；当第一超声波探头1和第二超声波探头2设置在气体流场内侧时，L₁不在流场中超声波传输路径长度为零。根据实时声速c₀的计算公式可知，只要保证超声波的接收和发送信号满足电路设计需求，超声波的传输路径能穿过流场，就可以不限制超声波探头在流道3中的位置，超声波探头设置的位置更加灵活，可满足不同情况下超声波探头的安装。

实施例四：

本实施例的气体流量的计量方法，包括如下步骤：

(S1)采样芯片控制第一超声波探头1，使得所述第一超声波探头1向第二超声波探头2发送超声波信号，采样芯片接收所述第二超声波探头2反馈的根据所述第一超声波探头1至所述第二超声波探头2的超声波信号，得到上行飞行时间t_up10；

(S2)采样芯片再控制所述第二超声波探头2，使得所述第二超声波探头2向所述第一超声波探头1发送超声波信号，采样芯片接收所述第一超声波探头1反馈的根据所述第二超声波探头2至所述第一超声波探头1的超声波信号，得到下行飞行时间t_dw10；

(S3)对得到的下行飞行时间t_dw10与历史下行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的下行飞行时间t_dw，同时对得到的上行飞行时间t_up10与历史上行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的上行飞行时间t_up；再根据硬件延时时间和超声波不在气体流场中的传输时间对上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw进行修正，并计算采样时的超声波的实时声速c₀；

(S4)根据所述实时声速c₀计算实时流速v₀；

(S5)根据实时流速v₀和流道3横截面积S计算实时流量Q₀。

其中，带遗忘因子的计算公式为：

t_up＝t_up10*α_up10+t_up11*α_up11+t_up12*α_up12++t_up13*α_up13+…+t_up1n*α_up1n；

t_dw＝t_dw10*α_dw10+t_dw11*α_dw11+t_dw12*α_dw12++t_dw13*α_dw13+…+t_dw1n*α_dw1n；

式中：t_up表示经过遗忘因子计算后得到的上行飞行时间；t_up10表示当前得到的上行飞行时间；α_up10表示当前上行飞行时间的遗忘因子；t_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间；α_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间的遗忘因子；t_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间；α_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间的遗忘因子；

式中：t_dw表示经过遗忘因子计算后得到的下行飞行时间；t_dw10表示当前得到的下行飞行时间；α_dw10表示当前下行飞行时间的遗忘因子；t_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间；α_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间的遗忘因子；t_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间；α_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间的遗忘因子。

根据硬件延时时间和超声波不在气体流场中的传输时间对上行飞行时间t_up和下行飞行时间t_dw进行修正的计算公式为：

进而推算得到实时声速c₀计算公式为：

式中：t_up上行飞行时间；t_dw下行飞行时间；L流场中超声波传输路径长度；L₁不流场中超声波传输路径长度；c₀流场中超声波的速度；θ第一超声波探头1和第二超声波探头2的连线与流场方向的夹角；v₀流场中气体的速度；t_del硬件电路的延时时间。

在我国各地用的燃气成分存在差别，不同成分的燃气的密度不一样，导致实时声速c₀也不一样；外界环境如温度、压力的变化也会导致相同成分的燃气声速也不一样，由上述公式可知，本计量方法的实时声速c₀不需要对压力和温度进行补偿，减少了对于不同燃气的成分的压力和温度补偿存在误差对实时声速c₀的影响，且燃气介质不同也不会对实时声速c₀的产生影响，也不需要额外增加独立测量声速的模块，减少超声波燃气表的成本。

上述c₀的计算公式中，只要知道硬件电路的延时时间，使用由遗忘因子加权得到的上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw便可计算得到实时的声速，气体的实时流速为：

由于v₀ ²cos²θ计算得到的数值相对c₀ ²较小，则气体的实时流速近似为：

在步骤(S5)中，实时流量Q₀的计算公式为：

Q₀＝v₀*S；

在实际测量中，很多因素会影响到实际的流量，如气体的组分、密度，所以需要对计算到的实时流量Q₀进行矫正，得到校正后的瞬时流量Q，矫正公式为：

Q＝kQ₀+b；

式中：Q矫正后的气体的瞬时流量；Q₀实时流量；k、b矫正参数(矫正参数可以通过燃气表与标准检测台体的不同流量点误差进行线性拟合求取)。

气体通过燃气表时，气体流量对时间的积分就可以计算某段时间内通过燃气表的气体体积，气体体积的计算公式：

V＝∫Qdt；

将单位时间内气体的流速认为是匀速的，单位时间内通过燃气表的气体体积：

dV＝Q*dt；

式中dV表示单位时间内通过的气体体积，dt表示单位时间。对单位时间内的气体体积累加计算可得到一段时间内的气体体积。而通过对单位时间内通过燃气表的气体体积dV进行温度补偿和压力补偿计算单位时间内的标准气体体积dVc，计算公式为：

dVc＝dV*(1+zt+zp)；

式中zt、zp为温度和压力补偿系数；temp为燃气表气体的实时温度；press为燃气表内气体的压力。

在本实施例中，在步骤(S3)之前采样芯片还采集温度传感器反馈的温度值temp和压力传感器反馈的压力值press。

本实施例的气体流量的计量方法，还包括根据矫正后的气体瞬时流量Q计算采样电路增益系数；根据燃气表流量量程的范围，可以取不同的流量区间增益系数，具体如下：

在小流量范围，即校正后瞬时流量Q小于等于0.5倍Q_max时，超声波探头接收到的信号比较稳定，可以得到固定的上行采样电路增益系数和下行采样电路增益系数Age_upn；

在大流量范围，即校正后瞬时流量Q大于等于0.5倍Q_max时，需要将流量区间分为若干段，计算每段的上行采样电路增益系数和下行采样电路增益系数Age_dwn，公式如下：

式中:Age_upn表示第N个流量区间的上行采样电路增益系数；A_upn、K_upn表示第N个流量区间的上行采样电路增益系数计算公式的系数；Age_dwn表示第N个流量区间的下行采样电路增益系数；A_dwn、K_dwn表示第N个流量区间的下行采样电路增益系数计算公式的系数；Q_MAX表示超声波燃气表规定允许的最大流量。

在本实施例中，在所述步骤S1前还包括，根据前一次采样周期计算得到的采样电路增益系数调整采样电路的增益，使超声波探头接收的信号满足要求。

在本实施例中，包括控制芯片，由控制芯片发送一次指令给采样芯片，采样芯片会控制第一超声波探头1向第二超声波探头2发送超声波信号，采样芯片接收所述第二超声波探头2反馈的超声波信号，得到上行飞行时间t_up10后，采样芯片再控制第二超声波探头2发送超声波信号，采样芯片接收所述第一超声波探头1反馈的超声波信号，得到下行飞行时间t_dw10，由控制芯片进行上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10的修正，以及计算采样时的超声波的实时声速c₀、实时流速v₀和实时流量Q₀和标准气体体积dVc。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (13)

1.一种气体流量的计量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)控制第一超声波探头(1)，使得所述第一超声波探头(1)向第二超声波探头(2)发送超声波信号，接收所述第二超声波探头(2)反馈的根据所述第一超声波探头(1)至所述第二超声波探头(2)的超声波信号，得到上行飞行时间t_up10；

(S2)控制所述第二超声波探头(2)，使得所述第二超声波探头(2)向所述第一超声波探头(1)发送超声波信号，接收所述第一超声波探头(1)反馈的根据所述第二超声波探头(2)至所述第一超声波探头(1)的超声波信号，得到下行飞行时间t_dw10；

(S3)根据硬件延时时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正，并计算采样时的超声波的实时声速c₀；

(S4)根据所述实时声速c₀计算实时流速v₀；

(S5)根据实时流速v₀和流道(3)横截面积S计算实时流量Q₀。

2.根据权利要求1所述的气体流量的计量方法，其特征在于，步骤(S3)中计算公式为：

$t_{up10}=\frac{L}{c_0+v_0*cos\mathrm{\θ}}+t_{del},t_{dw10}=\frac{L}{c_0-v_0*cos\mathrm{\θ}}+t_{del};$

式中：L流场中超声波传输路径长度；c₀流场中超声波的速度；θ第一超声波探头(1)和第二超声波探头(2)的连线与流场方向的夹角；v₀流场中气体的速度；t_del硬件电路的延时时间。

3.根据权利要求1所述的气体流量的计量方法，其特征在于，在步骤(S3)中，根据硬件延时时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正之前还包括如下步骤：

对得到的下行飞行时间t_dw10与历史下行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的下行飞行时间t_dw，同时对得到的上行飞行时间t_up10与历史上行飞行时间数据进行带遗忘因子计算，得到修正后的上行飞行时间t_up。

4.根据权利要求3所述的气体流量的计量方法，其特征在于，带遗忘因子的计算公式为：

t_up＝t_up10*α_up10+t_up11*α_up11+t_up12*α_up12++t_up13*α_up13+…+t_up1n*α_up1n；

t_dw＝t_dw10*α_dw10+t_dw11*α_dw11+t_dw12*α_dw12++t_dw13*α_dw13+…+t_dw1n*α_dw1n；

式中：t_up表示经过遗忘因子计算后得到的上行飞行时间；t_up10表示当前得到的上行飞行时间；α_up10表示当前上行飞行时间的遗忘因子；t_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间；α_up11表示相对于当前得到的上行飞行时间的上一次上行飞行时间的遗忘因子；t_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间；α_up1n表示相对于当前得到的上行飞行时间的上n次上行飞行时间的遗忘因子；

式中：t_dw表示经过遗忘因子计算后得到的下行飞行时间；t_dw10表示当前得到的下行飞行时间；α_dw10表示当前下行飞行时间的遗忘因子；t_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间；α_dw11表示相对于当前得到的下行飞行时间的上一次下行飞行时间的遗忘因子；t_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间；α_dw1n表示相对于当前得到的下行飞行时间的上n次下行飞行时间的遗忘因子。

5.根据权利要求1所述的气体流量的计量方法，其特征在于，在步骤(S3)之前还接收温度传感器反馈的温度值temp和压力传感器反馈的压力值press。

6.根据权利要求1所述的气体流量的计量方法，其特征在于，第一超声波探头(1)和第二超声波探头(2)设置在气体流场外侧，所述步骤(S3)中同时根据超声波不在气体流场中的传输时间对上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正。

7.根据权利要求6所述的气体流量的计量方法，其特征在于，上行飞行时间t_up10和下行飞行时间t_dw10进行修正的计算公式为：

$t_{up10}=\frac{L}{c_0+v_0*cos\mathrm{\θ}}+\frac{L_1}{c_0}+t_{del},t_{dw10}=\frac{L}{c_0-v_0*cos\mathrm{\θ}}+\frac{L_1}{c_0}+t_{del};$

式中：L流场中超声波传输路径长度；L₁不流场中超声波传输路径长度；c₀流场中超声波的速度；θ第一超声波探头(1)和第二超声波探头(2)的连线与流场方向的夹角；v₀流场中气体的速度；t_del硬件电路的延时时间。

8.根据权利要求5所述的气体流量的计量方法，其特征在于，对所述步骤(S5)中的实时流量Q₀进行校正，得到校正后的瞬时流量Q。

9.根据权利要求8所述的气体流量的计量方法，其特征在于，校正公公式为：

Q＝kQ₀+b；

式中：Q矫正后的气体瞬时流量；Q₀实时流量；k、b矫正参数。

10.根据权利要求8所述的气体流量的计量方法，其特征在于，还包括根据瞬时流量Q计算采样电路增益系数；

校正后瞬时流量Q小于等于0.5倍超声波燃气表规定允许的最大流量Q_max时，可以得到固定的上行采样电路增益系数和下行采样电路增益系数Age_upn；

校正后瞬时流量Q大于等于0.5倍超声波燃气表规定允许的最大流量Q_max时，需要将流量区间分为若干段，计算每段的上行采样电路增益系数和下行采样电路增益系数Age_dwn。

11.根据权利要求1或10所述的气体流量的计量方法，其特征在于，在所述步骤S1前还包括，根据前一次采样周期计算得到的采样电路增益系数调整采样电路的增益。

12.根据权利要求8所述的气体流量的计量方法，其特征在于，还包括根据瞬时流量Q计算单位时间内通过燃气表气体的体积dV。

13.根据权利要求12所述的气体流量的计量方法，其特征在于，根据单位时间内通过燃气表的气体体积dV进行温度补偿和压力补偿计算单位时间内的标准气体体积dVc，计算公式为：

dVc＝dV*(1+zt+zp)；

$zt=\frac{20+273.15}{temp+273.15}-1;$

$zp=\frac{press}{101.325}-1;$

式中zt、zp为温度和压力补偿系数；temp为燃气表气体的实时温度；press为燃气表内气体的压力。