CN107290564B - 一种基于相位差的超声波流速测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位差的超声波流速测量方法，采用脉冲组交替的顺流和逆流方向脉冲组信号作为超声波信号由顺流方向超声波发射传感器、逆流方向超声波发射传感器发送出去，然后由顺流以及逆流方向超声波传感器分别接收，分别放大滤波、方波转换，并与各自对于的脉冲组信号进行相位差比较，得到顺流相位差信号和逆流相位差信号，分别测量不流动以及流动时的顺流相位差信号和逆流相位差信号的脉冲宽度，依据本发明的的流体流速公式，得到流体流速。本发明考虑了不流动、流动时的脉冲宽度，并做差，这样可以抵消存在的系统误差，从而提高了流体流速测量的准确度。同时，采用交替的脉冲组信号实现了流速的实时测量的同时避免了对顺流逆流相位差测量的影响。

Description

一种基于相位差的超声波流速测量方法

技术领域

本发明属于超声波流速测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于相位差的超声波流速测量方法。

背景技术

流量连同压力、温度是公认的现代工业检测三大标准参数，人们依靠这些参数对生产流程进行控制和监督，以实现生产流程的自动化。流量同时作为天然气、石油、水资源、燃气等重要资源的结算方式，其准确可靠性是提高生产效率和实现经济效益的重要保障。

流量测量可以依靠都流速的测量进行，多依靠超声波进行检测，其原理有传播速度差法(时间差法、相位差法、频率差法)、多普勒法、互相关法、波束偏移法等。其中，传播速度差法是利用超声波传播速度叠加其传播路径上的流场线速度，测量超声波经过流体的传播时间，再通过数学方法便可提取出流场中对应的流速信息。

图1是传播速度差法流速测量原理图。

如图1所示，S为超声波发射传感器，R为超声波接收传感器，l(m)为超声波传播距离，θ(°)为传播路径与水平线夹角，d(m)为管道内直径，v(m/s)为管道内流体流速，c(m/s)为当前环境下的声传播速度。

可知，超声波信号从S到R的顺流传播时间t_up为：

则，管道内流体流速为：

因此，根据传播速度差法的基本原理，只需测量出超声波的绝对传播时间，(如超声波信号从S到R的顺流传播时间t_up)，便可得到流体流速(根据公式(2))。

对于其具体实现，根据实际测量的表征时间的信号不同，传播速度差法由主要分为三种方法：时差法、相位差法、频差法。

对绝对传播时间t如公式(1)中的顺流传播时间t_up进行直接测量称为时差法，而相位差法直接测量的是激励信号与接收信号之间的相位差

通过建立相位差与绝对传播时间的关系，得到对应流速。相对于时差法，相位差法的待测脉冲受流速影响小，且更适合测量小的时间变化。

图2是时差法流速测量信号与相位差法流速测量信号关系图。

图2展示了绝对传播时间t与相位差以及相位差脉冲宽度t′的关系，其中T为超声波信号的周期，相位差

与相位差脉冲宽度t′的关系为：

为了便于说明绝对传播时间t与相位差

两者的关系，在本实施例中，如图2所示，将相位差标记在接收回波信号的起始点处，但在实际测量时，为了得到更加稳定的相位差信号，应当选择接收回波信号波形稳定处的相位差。

2015年07月01日公布的、公布号为CN104748805A、名称为“一种基于直接相位差的超声波流速测量方法”，如图3所示，其采用正、反向超声波换能器同时发送超声波信号，接收顺流波形和逆流波形，并得出顺流波形和逆流波形之间的直接相位差波形，相位差波形的占空比的大小直接反应了流速的快慢，占空比越宽那么直接反应的流速就越快，这个相位差波形通过一个微积分电路就可以将这个占空比变化的脉冲信号变成一个电压信号，波形脉冲占空比越宽电压则越高，占空比越小，电压越低，然后通过ADC转换电路检测此电压的高低从而得到流速的快慢，那么就可以得到流量的大小。这个大小只与水流速的快慢有关，而与其他因素如温度造成的声速变化导致波形跳变等无关，故测量稳定性得到提高。该方法测量分辨率高、抗干扰能力强、温度稳定性更好。然而该方法测量的准确度有待提高。

此外，现有技术中，如图4，采用正向超声波脉冲和标准脉冲之间的相位差以及反向超声波脉冲与标准脉冲的之间相位差得到的微分累计值之差来得到的水流速度，然而，其采用的微分累积方式，同样存在准确度不高的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于相位差的超声波流速测量方法，以提高流速测量的准确度。

为实现上述发明目的，本发明基于相位差的超声波流速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、顺流和逆流方向分别以相同水平夹角θ设置超声波发射传感器以及超声波接收传感器，然后，顺流方向超声波发射传感器、逆流方向超声波发射传感器分别发送周期为28.8ms、长度为3.2ms的128个40KHz的脉冲组信号，其中，顺流方向脉冲组信号超前于逆流方向脉冲组信号12.8ms；

(2)、将顺流以及逆流方向超声波传感器接收的回波信号，分别进行放大滤波、方波转换得到顺流方波信号以及逆流方波信号；

将顺流方波信号与顺流方向的超声波发射传感器发出的脉冲组信号(作为同步参考信号)进行相位差比较，得到顺流相位差信号，将逆流方波信号与逆流方向的超声波发射传感器发出的脉冲组信号(作为同步参考信号)进行相位差比较，得到逆流相位差信号；

(3)、测量流速为0(流体静止)时的顺流相位差信号或逆流相位差信号的脉冲宽度，记为t′₀，测量流体流动时，顺流相位差信号的脉冲宽度，记为t′_up，以及逆流相位差信号的脉冲宽度，记为t′_down，然后，根据以下公式，计算出流体流速v：

其中，l为超声波传播距离即超声波发射传感器以及超声波接收传感器之间的距离，t₀为绝对传播时间：

t₀＝l/c

其中，c为当前环境下的声传播速度。

本发明基于相位差的超声波流速测量方法，采用脉冲组交替的顺流和逆流方向脉冲组信号作为超声波信号由顺流方向超声波发射传感器、逆流方向超声波发射传感器发送出去，然后由顺流以及逆流方向超声波传感器分别接收，分别放大滤波、方波转换，并与各自对于的脉冲组信号进行相位差比较，得到顺流相位差信号和逆流相位差信号，分别测量不流动以及流动时的顺流相位差信号和逆流相位差信号的脉冲宽度，依据本发明的的流体流速公式，得到流体流速。本发明考虑了不流动、流动时的脉冲宽度，并做差，这样可以抵消存在的系统误差，从而提高了流体流速测量的准确度。同时，采用交替的脉冲组信号实现了流速的实时测量的同时避免了对顺流逆流相位差测量的影响。

附图说明

图1是传播速度差法流速测量原理图；

图2是时差法流速测量信号与相位差法流速测量信号关系图；

图3是现有直接相位差法流量测量原理图；

图4是现有顺流逆流相位差的微分累计值差流量测量波形原理图；

图5是顺流和逆流声道布置超声波发射、接收传感器和示意图；

图6是本发明基于相位差的超声波流速测量方法一种具体实施方式流程图；

图7是应用本发明的一种超声波流速测量装置电路原理示意图；

图8是两路即顺流、逆流两个方向脉冲组信号的时序；

图9是图7所示接收信号处理电路原理图；

图10是正弦到方波的波形变换原理图；

图11是相位差获取原理图；

图12是基于电容充放电的脉冲扩展原理图；

图13是改进的模拟内插法时序图，其中，(a)为整个时序，(b)为局部时序；

图14是时间测量方案的整体设计原理框图；

图15是模拟内插法设计框图；

图16是充放电控制信号时序图；

图17是充电恒流源的具体实现电路；

图18是放电恒流源的具体实现电路；

图19是放电模式时放电恒流源始终接电容的放电波形图；

图20是放电模式时控制框图以及控制信号，其中，(a)为(放电模式时)放电恒流源与电容通断控制框图，(b)控制信号时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

一、流速测量原理

由于测量的是相对量，需要事先对起始相位进行标定，图2中的相关参数说明，见表1的相关变量符号说明。

表1

当流体流速为0时，超声波传播距离l与波长λ₀、相位差

有如下关系：

假设当流速从0变化到v时，依旧只经过了n个整数倍的波长，得到超声波传播距离l与波长λ_up、相位差

的关系：

将表1中的公式带入对应变量，并分别对式(5)、式(6)进行变换，得到：

式(7)减去式(8)，得到顺流时超声波绝对传播时间t_up与相位差脉冲宽度t′_up的关系：

由于声速c受温度压力影响变化较大，难以准确测量，所以在图1单一顺流声道的基础上，本发明采用如图5所示的顺流和逆流两路布置方案，分别测量顺流和逆流的传播时间差，其中，S1,S2为超声波发射传感器，R1,R2为对应的接收传感器。

超声波信号从超声波发射传感器S2到对应的超声波接收传感器R2的逆流流传播时间t_down为：

参考式(9)，得到逆流时，超声波绝对传播时间t_down与相位差脉冲宽度t′_down的关系：

连立(1)、(9)、(10)、(11)得到，得到本发明中流体流速v与相位差脉冲宽度t′_up、t′_down的关系式：

其中，l为超声波传播距离即超声波发射传感器以及超声波接收传感器之间的距离，t₀为绝对传播时间：

t₀＝l/c

其中，c为当前环境下的声传播速度。

二、流速测量方法

图6是本发明基于相位差的超声波流速测量方法一种具体实施方式流程图。

在本实施例中，如图6所示，本发明基于相位差的超声波流速测量方法包括以下步骤：

步骤S1：顺流和逆流声道布置

顺流和逆流方向分别以相同水平夹角θ设置超声波发射传感器以及超声波接收传感器，然后，顺流方向超声波发射传感器、逆流方向超声波发射传感器分别发送周期为28.8ms、长度为3.2ms的128个40KHz的脉冲组信号，其中，顺流方向脉冲组信号超前于逆流方向脉冲组信号12.8ms；

步骤S2：顺流和逆流信号处理

将顺流以及逆流方向超声波传感器接收的回波信号，分别进行放大滤波、方波转换得到顺流方波信号以及逆流方波信号；

将顺流方波信号与顺流方向的超声波发射传感器发出的脉冲组信号(作为同步参考信号)进行相位差比较，得到顺流相位差信号，将逆流方波信号与逆流方向的超声波发射传感器发出的脉冲组信号(作为同步参考信号)进行相位差比较，得到逆流相位差信号；

步骤S3：测量静止相位差脉冲宽度以及流动时的顺流、逆流相位差信号的脉冲宽度，并计算流速

测量流速为0(流体静止)时的顺流相位差信号或逆流相位差信号的脉冲宽度，记为t′₀，测量流体流动时，顺流相位差信号的脉冲宽度，记为t′_up以及逆流相位差信号的脉冲宽度，记为t′_down，然后，根据以下公式，计算出流体流速v：

其中，l为超声波传播距离即超声波发射传感器以及超声波接收传感器之间的距离，t₀为绝对传播时间：

t₀＝l/c

其中，c为当前环境下的声传播速度。

三、流速测量装置

前面讲述了本发明流速测量原理和具体方法，依据这些原理和方法，在本实施例中，对于流速测量装置设计了顺流和逆流两路并行电路即顺流通道和逆流通道，如图7所示。

在本实施例中，如图7所示，流速测量装置主要包括三大部分：激励信号发射模块1、接收信号处理模块2和相位差测量模块3。超声波传感器采用的是收发分离的压电式超声波传感器。一个超声波发射传感器和一个超声波接收传感器组成一路测量通道，设置顺流和逆流两路测量通道。

激励信号发射模块1为超声波发射传感器提供产生机械波振动所需的脉冲组信号。超声波经过流体，叠加流体在超声波传播路径上的线速度。接收传感器将携带流速信息的超声波重新转换为正弦波电信号即回波信号，通过信号接收处理模块2滤波放大、进行数字逻辑变化(方波转换)和提取相位差后，送给相位差测量模块3进行测量，得到超声波在流体中的传播时间差，进而依据公式(4)求得流体流速。

3.1、激励信号发射电路

激励信号发射电路1由激励信号控制电路101和两个输出匹配电路102(一个用于顺流通道，另一个用于逆流通达)组成。

激励信号控制电路101由数字逻辑电路组成，控制两路超声波发射传感器交替工作，如图8为两路脉冲组信号时序图，其中的脉冲组设置为3.2ms是为了保证传感器能充分激励，产生频率、相位稳定的信号个数满足后期电路需求。两路冲组信号的间隔设置为12.8ms是为了保证两通道之间不相互干扰，不受传感器辐射特性影响。

输出匹配电路102为发射电路和超声波传感器进行阻抗匹配，以得到更好的激励效果。

3.2、接收信号处理电路

接收信号处理电路主要分为三部分：放大滤波电路201、方波转换电路202和相位鉴别电路203，如图9所示。

3.2.1、放大滤波电路

超声波信号在穿过流体的过程中，受流体和流速的不均匀分布影响，衰减了绝大部分的能量，致使到达超声波接收传感器的信号十分微弱，又受到现场可能存在的各种噪声高频干扰，给有用信息的提取带来麻烦。因此在超声波接收传感器接入电路后应第一时间进行滤波和放大，由于超声波传感器本身呈容抗性，接收信号处理电路需考虑到和超声波接收传感器之间的阻抗匹配才能更好的将换能器产生的的电信号耦合进来，从而避免带来更多电路上的干扰。

所以在本实施例中，第一级放大电路采用谐振电路，在放大信号的同时能有效滤除干扰信号。第二级放大采用由OP37组成的放大倍数可调的运算放大器，实现电压放大倍数的可调，以满足方波转化电路所需的电压值。

3.2.2、方波转换电路

为了后续电路能提取出激励信号与接收的回波信号的相位差(超声波在流体中的传播时间差)，需要对经过滤波放大处理后接收信号进行数字逻辑变换，将正弦信号转变为数字逻辑电平。

在本实施例中，采用AD8611高速比较器为核心芯片组成的滞回比较器对波形进行变换，对应波形变换原理如图10所示。当接收到的滤波放大后的回波信号即正弦波信号幅值大于0V时，电路输出高电平；幅值小于0V时，电路输出低电平。

3.2.3、相位鉴别电路

经过方波转换电路302，得到了超声波接收信号(回波信号)的同相位数字信号(方波)，比较该方波信号(顺流方波信号以及逆流方波信号)与同步参考脉冲(即对应通道的超声波发射信号即脉冲组信号)的相位差，该相位差表示超声波在流体中的传播时间。

相位鉴别电路303采用美国ADI公司生产的AD9901超高速数字鉴频鉴相器作为核心芯片。将同步参考信号与方波信号接入AD9901两个输入端，芯片直接输出两路信号的相位差。

3.3、相位差测量电路

3.3.1、改进的累积模拟内插法基本原理

模拟内插法是在电子计数法的基础上对量化时钟误差进行再次测量，关键在于对待测量脉冲进行扩充。本发明采用的基于电容充放电的脉冲扩展原理，如图12所示。一般的模拟内插法是对单个量化时钟误差T₁进行扩展，而考虑实际量化时钟误差脉冲很小，单个充放电会导致较大的误差，再加上单个脉冲之间没有足够的放电空间，因此采用多个脉冲累加充电的方法。

改进的模拟内插法的时序如图13。当待扩展脉冲T₁到来时，控制开关S_in关闭S_out断开，充电恒流源i_in对电容C充电，A点电压增大；低电平时，S_in、S_out均断开，充电停止，保持当前状态，等待下一个T₁，直到完成16个T₁累加充电，称为一个充电模式，则完成一个充电模式所需时间(us)为：

T_in＝16×[T₁+(25-T₁)] (12)

一个累加充电结束时，S_in断开S_out关闭，采用放电恒流源i_out对电容放电，A点电压减小，当电压回到充电前电平起始位置时放电完成。通过比较器，得到T₁的扩展脉冲，根据充放电电荷相等的原理，假设扩展倍数为原来的k倍，则放电时间为：

T_out＝k×16×T₁ (13)

那么，如果采用过零点检测，得到的扩充后脉冲宽度为T_final为实际充放电波形中上升时间(充电模式)T_in与下降时间(放电模式)T_out之和，见式(14)，单位us：

3.3.2、时间测量电路的设计

图14为时间测量方案的整体设计框图。输入脉冲为图7所示的相位鉴别电路的输出脉冲，脉冲分割电路的作用是将相位差信号分解为量化时钟T整数倍的主脉冲信号以及前沿、后沿误差T₁,T₂取出，T₁,T₂分别经过改进的模拟内插电路进行充放电扩充，通过此方法，可将时间测量精度大大提升。

如图15为模拟内插法设计框图，采用恒流源控制电容充放电时的电流大小，充放电过程由控制信号Sig1、Sig2控制模拟开关切换。电容A端电压放大后经过过零比较器，得到扩展后的对应脉冲。放大电路采用由OP37组成的比例放大器，比较电路采用AD8611组成的过零比较器。

下面分别具体介绍电容充放电的控制(模拟开关模块)、充电恒流源模块、放电恒流源模块。

a、电容充放电的控制

由于经过脉冲分割电路的待扩展脉冲T1、T2为40kHz，对于一个脉冲周期而言，低电平区域并不能提供足够的时间用于扩展，会出现上一个脉冲放电还未结束，下一个充电控制脉冲又到来的情况，使整个充放电过程相互交叉。再加上T1,T2脉冲宽度较小，使得充放电过程线性度较差，增大测量误差，所以采取在一个脉冲组中多次累计充电，这样放电时就处在脉冲组间低电平处，可以有一个完整的放电周期。

如图16所示为充放电控制信号Sig1、Sig2，Sig1、Sig2来自鉴相电路输出，通过模拟开关CD4051对充放电过程进行控制。如表2所示为充放电控制信号真值表，当Sig1、Sig2都为高电平时，处于充电模式，电容A端接充电恒流源B端，向电容充电，A端电压上升；当Sig1为高电平，Sig2为低电平时，处于保持模式，A端悬空，忽略电容各种自发放电的情况，认为此时电容既不充电也不放电；等待下一个充电控制脉冲，经过一个脉冲组16个充电脉冲即前沿误差T₁或后沿误差T₂叠加；当Sig1、Sig2都为低电平时，处于放电模式，电容A端接放电恒流源C端，电容放电，A端电压下降。理论上电容A端电压降为零时，放电过程停止，这样得到前沿、后沿误差T₁,T₂。

最后，根据主脉冲信号宽度以及前沿、后沿误差T₁,T₂得到顺流相位差信号的脉冲宽度或逆流相位差信号的脉冲宽度。

为了防止放电恒流源继续工作导致A端电压继续下降，还设计了一路控制信号，同步控制放电恒流源的及时关断，将在放电恒流源部分具体讲解。

表2

b、充电恒流源

如图17所示为充电恒流源的具体实现电路。充电电流I_in由三端可调精密恒流源LM334提供，LM334可以通过简单的调节电阻R1,R2的阻值控制电流输出大小，范围从1uA～10mA,并且具有1V～40V的动态电压范围。电路采用LM334与1N4148组成零温度系数恒流源，当设置R₂/R₁≈10时，可以有效的抵消温度变化带来的电流波动。参考数据手册，LM334输出电流为：

设量化时钟误差T1的脉冲宽度为ΔT，C为电容的电容量，则A点产生的电压值为：

c、放电恒流源

图18所示为放电恒流源的具体实现电路。稳压管D1将运算放大器OP37的2脚电压钳制在0V，Q1处于完全导通状态，Q1的3脚电压为0V，则放电电流I_out为：

由于C端电压(也就是图15中电容A端电压)的变化范围为≥0V，所以能保证在整个放电过程中I_out稳定不变。

由于充电时间未知，导致放电所需时间未知，所以设置放电模式的时间段大于电容放电所需时间，如果在整个放电模式下，放电恒流源一直与电容接通，那么电容A端电压就可能出现下降到0V后，继续下降的情况，如图19所示，进而影响下后续充放电过程。因此需要对放电过程进一步的控制，使电容A端电压下降到0V时，电容和放电恒流源及时切断。

如图20所示，采用模拟开关CD4051控制放电恒流源C端接负载的情况。信号Sig3、Sig4控制放电模式中，放电恒流源与电容通断。Sig3为充电模式控制信号，Sig4是过零比较器输出的扩展后时间间隔。当电容处于充电模式时，过零比较器输出高电平，放电恒流源C端接地，形成放电回路，但不影响电容A端电压；当电容切换到放电模式，但电容A端电压还未下降到0V之前，过零比较器继续输出高电平，放电恒流源C端接电容A端；当电容处在放电模式，电容A端电压刚好低于0V时，过零比较器输出低电平，放电恒流源C端与电容断开，重新接地。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种基于相位差的超声波流速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、顺流和逆流方向分别以相同水平夹角θ设置超声波发射传感器以及超声波接收传感器，然后，顺流方向超声波发射传感器、逆流方向超声波发射传感器分别发送周期为28.8ms、长度为3.2ms的128个40KHz的脉冲组信号，其中，顺流方向脉冲组信号超前于逆流方向脉冲组信号12.8ms；

(2)、将顺流以及逆流方向超声波传感器接收的回波信号，分别进行放大滤波、方波转换得到顺流方波信号以及逆流方波信号；

将顺流方波信号与顺流方向的超声波发射传感器发出的脉冲组信号进行相位差比较，得到顺流相位差信号，将逆流方波信号与逆流方向的超声波发射传感器发出的脉冲组信号进行相位差比较，得到逆流相位差信号；

(3)、测量流速为0时的顺流相位差信号或逆流相位差信号的脉冲宽度记为t′₀，测量流体流动时，顺流相位差信号的脉冲宽度记为t′_up以及逆流相位差信号的脉冲宽度记为t′_down，然后，根据以下公式，计算出流体流速v：

其中，l为超声波传播距离即超声波发射传感器以及超声波接收传感器之间的距离，t₀为绝对传播时间：

t₀＝l/c

其中，c为当前环境下的声传播速度。

2.根据权利要求1所述的基于相位差的超声波流速测量方法，其特征在于，所述顺流相位差信号的脉冲宽度以及逆流相位差信号的脉冲宽度采用改进的累积模拟内插法进行测量：

2.1)、将相位差信号分解为量化时钟T整数倍的主脉冲信号以及将前沿误差T₁、后沿误差T₂取出，T₁、T₂分别经过改进的模拟内插电路进行充放电扩充；

2.2)、在改进的模拟内插电路中，经过一个脉冲组16个充电脉冲，前沿误差T₁、后沿误差T₂进行叠加，得到前沿误差T₁、后沿误差T₂；

2.3)、根据主脉冲信号宽度以及前沿误差T₁、后沿误差T₂得到顺流相位差信号的脉冲宽度或逆流相位差信号的脉冲宽度。

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