CN109782024B - 基于定态参数进行波数判断的超声波燃气表防计量错误方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于定态参数进行波数判断的超声波气表防计量错误方法。其特征在于：首先需要确定定态参数，定态参数在燃气表装配完成后在使用周期内不会变化，定态参数包括声程、极值流量时根据极值顺流飞渡时间、极值逆流飞渡时间和极值顺流逆流飞渡的时差计算出来的偏离波数值，通过测量、实时计算来判断当前测量是否发生了丢波错误，计算及判据依赖于上述的定态参数。在超声波测量中，气流的突变导致的流场不稳定，温度的改变导致超声波换能器波形不一致，都会造成ΔT计时误差为一个或多个整波的现象，而本发明能提高对超声波测量中丢波问题的判断或数据修补，防止出现错误的测量数据，对提高燃气计量的可靠、准确性有重要作用。

Description

基于定态参数进行波数判断的超声波燃气表防计量错误方法

技术领域

本发明涉及一种基于定态参数进行波数判断的超声波燃气表防计量错误方法。

背景技术

当前市场上大量使用的超声波计量电路一般基于时差法，通过测量顺流时间、逆流时间、时差来计算流速，该方法从原理上消除了介质传播速度对测量的影响。

图1 为时差法测量原理。

超声波传播公式如下：

公式（1）

流速v公式为：

公式（2）

流量Q公式为：

公式（3）

对于燃气表，以上公式中声程L、流道半径D、发射角（声程夹角）φ都是定值，公式（2）是由公式（1）消除介质内的声速c得到, 但理论上已知了介质中的声速c,可以由公式（1）用单次发射、接收过程就可以计算出流速v，顺流飞渡时间T₁₂、逆流飞渡时间T₂₁、顺流逆流的时差ΔT为超声波计量的关键测量值，直接影响测量精度。

但在实际电路实现中，无论是通过过零测时的方法，还是通过AD转换进行软件算法计时，当温度变化、或流场不稳定导致超声波接收的波形衰减或变形时，会发生ΔT误差一个或多个超声波周期时间T₀，即丢波现象。

例如使用500K的超声波换能器，测量错误时其时差ΔT会相差：

一个波错误时：为2us,两个波错误时为4us,此时计量出错。

TI的超声波燃气表方案(专利号CN106461437)是典型的AD转换软件计时法，图2是采用TI的气表方案测试出现的丢波现象,ΔT的测量值出现一个周期的跳变，从3000ns变到1000ns,对应的换算流量出现较大的跳变，而实际流道中是一个恒定流量，值得注意的是，此时顺逆流时间T₁₂、T₂₁并未出现突变,出现此类错误是由于ΔT对波数的判断出现了一个波的偏差造成的。

而通常采用给定阀值启动过零测时的电路方案受温度影响接收幅值变化后，更容易出现此类测量错误。如图3，接收信号在超过电压阀值后启动过零测试，但超声波接收信号的幅值受温度影响较大，而电压阀值处前后波峰差别很小，会导致过阀值的波计数出现误差，当幅值增加时波计数会提前，幅值衰减时波计数会滞后，而顺流、逆流的波计数出现不同步时，发生丢波现象。

在使用以上2种测量电路时，出现丢波现象，一般采样软件平均算法对这类错误进行处理，需要采集多种数据进行处理，会影响示数的即时准确性或脉冲气流的采集精度，而频繁出现这种错误时，软件平均算法也无法滤除引入的误差。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于定态参数进行波数判断的超声波燃气表防计量错误方法的技术方案。

所述的基于定态参数进行波数判断的超声波燃气表防计量错误方法，其特征在于：首先需要确定定态参数，定态参数在燃气表装配完成后在使用周期内不会变化，定态参数包括声程、极值流量时根据极值顺流飞渡时间、极值逆流飞渡时间和极值顺流逆流飞渡的时差计算出来的偏离波数值，通过测量、实时计算来判断当前测量是否发生了丢波错误，计算及判据依赖于上述的定态参数。

所述的基于定态参数进行波数判断的超声波燃气表防计量错误方法，其特征在于具体步骤如下：

1）定态声程L₀参数测量

将燃气表进出气口堵上，使流速v=0,在温度稳定情况下，测量温度值TP₀，测量顺流飞渡时间T₁₂, 逆流飞渡时间T₂₁,及顺流逆流飞渡的时差ΔT，此时T₁₂≈T₂₁，

根据声速公式：

公式(4)

计算出当前声速c, 其中，C₀为0℃时的介质声速，

公式（1）

由公式（1）可计算声程，此时公式中v=0,

L₀=c* T₁₂

计算出的L₀作为流道声程的固定参数保存；

2）定态极值偏离波数N测量

使用稳流装置给燃气表通极值流量, 测量极值流速V_MAX、极值测量时的稳定温度TP₁、极值顺流飞渡时间T_12MAX、极值逆流飞渡时间T_21MAX及极值顺流逆流飞渡的时差ΔT_MAX，取周期为T₀=1/f,f为换能器谐振频率，

设N为偏离的整波数范围为(-2，-1，0，1，2),使用下列公式计算当前理论推测的理论极值顺流飞渡时间T_A12MAX , 理论极值逆流飞渡时间T_A21MAX,理论极值时差ΔT_AMAX，

T_A12MAX= L₀/(C_TP1+ V_MAX*cosφ)

T_A21MAX = L₀/(C_TP1- V_MAX*cosφ)

ΔT_AMAX= T_A21MAX – T_A12MAX 公式（5）

其中C_TP1可以通过TP₁带入到公式（4）

中计算得出；

用以下公式计算N的值：

T_A12MAX =N_max12* T₀+ T_12MAX

T_A21MAX= N_max21* T₀+ T_21MAX

ΔT_AMAX= N_ΔTMAX* T₀+ΔT_MAX 公式（6）

N_max12, N_max21, N_ΔTMAX对应为极值流速时的顺流最大偏离波数、逆流最大偏离波数、时差最大偏离波数，

V_MAX*cosφ由公式（2）计算得出；

公式（2）

正常范围是N_max12=N_max21≥0, N_ΔTMAX =0，因为大流速时波形一般会衰减，因此此时T_12MAX、T_21MAX会同步延迟整数个周期，但ΔT_MAX保持其精度不变，由于N_max12=N_max21，可统一由N_max代替，N_max= N_max12=N_max21；

3）动态参数测量

在进行正常的流量测量过程中，测量顺流飞渡时间T₁₂、逆流飞渡时间T₂₁及顺流逆流飞渡的时差ΔT,本方法还需要动态温度TP_N参与对顺流飞渡估算时间T_A12、逆流飞渡估算时间T_A21、顺流逆流飞渡的时差估算ΔT_A的运算,由以下公式计算T_A12，T_A21，ΔT_A，

T_A12= L₀/(C_TPN+ v*cosφ)

T_A21 = L₀/(C_TPN- v*cosφ)

ΔT_A= T_A21 – T_A12

其中C_TPN可以通过TP_N带入到公式（4）

中计算得出；

由以下公式

T_A12 =N_A12* T₀+ T₁₂

T_A21= N_A21* T₀+ T₂₁

ΔT_A= N_ΔT* T₀+ ΔT

计算N_A12，N_A21, N_ΔT在测量过程中的偏离波数，N_A12，N_A21, N_ΔT为顺流偏离波数、逆流偏离波数、时差偏离波数；

4）判据

N_A12，N_A21, N_ΔT按四舍五入取整:

当N_A12 =N_A21≤N_max, 且N_ΔT=0时，当前测量有效；

当N_A12 ≠N_A21,或N_ΔT≠0，测量无效,采用过零测时的测量方法，对3）中的测量数据进行纠错，N_A12 =N_A21+1时, T₂₁可取后一个波的测时数据；N_A12 =N_A21-1时, T₁₂可取前一个波的测时数据，从而得到正确的ΔT。

本方法依赖于声程、声速等数据，因此初始稳定温度下的声程、温度测量是必须步骤；在超声波测量中，气流的突变导致的流场不稳定，温度的改变导致超声波换能器波形不一致，都会造成ΔT计时误差为一个或多个整波的现象，而本方法能提高对超声波测量中丢波问题的判断或数据修补，防止出现错误的测量数据，对提高燃气计量的可靠、准确性有重要作用。

附图说明

图1 为时差法测量原理图；

图2为采用TI的气表方案测试出现的丢波现象图；

图3为接收信号在超过电压阀值后启动过零测试波形图；

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明：

本发明涉及超声波燃气表计量方法，尤其涉及使用超声波测量方式进行燃气计量中出现的因超声波波数采集错误导致的计量错误问题，本发明提出一种基于初始给定状态参数进行自相关比较，从而判断当前测量值是否正确的方法，无需多组采样数据即可直接剔除掉错误的数据，或者选择准确波数对应的测时时间以得到准确的测量值。

从背景技术中可知，公式（2）是由公式（1）消除介质内的声速c得到，但理论上已知了介质中的声速c,可以由公式（1）用单次发射、接收过程就可以计算出流速v，

v*cosφ = L/T₁₂-c

声速c受温度、介质密度等的影响较大，因此无法得到较高的流速精度，但测量中发生计数丢波错误时产生的计时偏差为换能器震荡周期的整数倍，而流速v对应的飞渡时间T₁₂或T₂₁理论上的计算值与实测值误差小于1/4周期超声波周期时间T₀，通过实测值与理论值进行比较，可用来判断当前测量是否发生了丢波现象。

流速v与顺流飞渡时间T₁₂、逆流飞渡时间T₂₁的理论值可直接计算，下表表示的是在声程L、温度确定时由理论计算的流速与飞渡时间：

计算条件：声程L=60.85mm,温度T=20℃，声程夹角φ=45º

上表的意义在于由出厂给定的定态参数，理论流速与3个时间变量有确定的线性关系。在测量过程中3个时间变量T₁₂,T₂₁,及ΔT计算后得出的流速值，根据上表查表或直接计算出对应3个理论值T_A12、T_A21、ΔT_A进行比较，容易判断出某一项是否发生了整数周期的误差。

本发明首先需要确定定态参数，定态参数在燃气表装配完成后在使用周期内不会变化，定态参数包括声程、极值流量时根据极值顺流飞渡时间、极值逆流飞渡时间和极值顺流逆流飞渡的时差计算出来的偏离波数值，通过测量、实时计算来判断当前测量是否发生了丢波错误，计算及判据依赖于上述的定态参数。

本发明的具体步骤如下：

1）定态声程L₀参数测量

将燃气表进出气口堵上，使流速v=0,在温度稳定情况下，测量温度值TP₀，测量顺流飞渡时间T₁₂, 逆流飞渡时间T₂₁,及顺流逆流飞渡的时差ΔT，此时T₁₂≈T₂₁，

根据声速公式：

公式(4)

计算出当前声速c, 其中，C₀为0℃时的介质声速，

公式（1）

由公式（1）可计算声程，此时公式中v=0,

L₀=c* T₁₂

计算出的L₀作为流道声程的固定参数保存；φ为声程夹角，是定值；

2）定态极值偏离波数N测量

使用稳流装置给燃气表通极值流量, 测量极值流速V_MAX、极值测量时的稳定温度TP₁、极值顺流飞渡时间T_12MAX、极值逆流飞渡时间T_21MAX及极值顺流逆流飞渡的时差ΔT_MAX，取周期为T₀=1/f,f为换能器谐振频率，

设N为偏离的整波数范围为(-2，-1，0，1，2),使用下列公式计算当前理论推测的理论极值顺流飞渡时间T_A12MAX , 理论极值逆流飞渡时间T_A21MAX,理论极值时差ΔT_AMAX，

T_A12MAX= L₀/(C_TP1+ V_MAX*cosφ)

T_A21MAX = L₀/(C_TP1- V_MAX*cosφ)

ΔT_AMAX= T_A21MAX – T_A12MAX 公式（5）

其中C_TP1可以通过TP₁带入到公式（4）

中计算得出；

用以下公式计算N的值：

T_A12MAX =N_max12* T₀+ T_12MAX

T_A21MAX= N_max21* T₀+ T_21MAX

ΔT_AMAX= N_ΔTMAX* T₀+ΔT_MAX 公式（6）

N_max12, N_max21, N_ΔTMAX对应为极值流速时的顺流最大偏离波数、逆流最大偏离波数、时差最大偏离波数，

V_MAX*cosφ由公式（2）计算得出；

公式（2）

正常范围是N_max12=N_max21≥0, N_ΔTMAX =0，因为大流速时波形一般会衰减，因此此时T_12MAX、T_21MAX会同步延迟整数个周期，但ΔT_MAX保持其精度不变，由于N_max12=N_max21，可统一由N_max代替，N_max= N_max12=N_max21；

3）动态参数测量

在进行正常的流量测量过程中，测量顺流飞渡时间T₁₂、逆流飞渡时间T₂₁及顺流逆流飞渡的时差ΔT,本方法还需要动态温度TP_N参与对顺流飞渡估算时间T_A12、逆流飞渡估算时间T_A21、顺流逆流飞渡的时差估算ΔT_A的运算,由以下公式计算T_A12，T_A21，ΔT_A，

T_A12= L₀/(C_TPN+ v*cosφ)

T_A21 = L₀/(C_TPN- v*cosφ)

ΔT_A= T_A21 – T_A12

其中C_TPN可以通过TP_N带入到公式（4）

中计算得出；

由以下公式

T_A12 =N_A12* T₀+ T₁₂

T_A21= N_A21* T₀+ T₂₁

ΔT_A= N_ΔT* T₀+ ΔT

计算N_A12，N_A21, N_ΔT在测量过程中的偏离波数，N_A12，N_A21, N_ΔT为顺流偏离波数、逆流偏离波数、时差偏离波数；

4）判据

N_A12，N_A21, N_ΔT按四舍五入取整:

当N_A12 =N_A21≤N_max, 且N_ΔT=0时，当前测量有效；

当N_A12 ≠N_A21,或N_ΔT≠0，测量无效,采用过零测时的测量方法，对3）中的测量数据进行纠错，N_A12 =N_A21+1时, T₂₁可取后一个波的测时数据；N_A12 =N_A21-1时, T₁₂可取前一个波的测时数据，从而得到正确的ΔT。

实例：20℃测试数据,声程L₀ =60.85mm

由上表可算出未出现丢波时N的值都小于0.2。

一般的超声波测量中公式（1）仅作为推导使用，因为声速随温度而变化难以得到高的精度，但本方法使用公式（1）仅作为偏离波数N的判断条件，对顺逆流测时间精度要求不高， 而理论计算误差小于（1/4）T₀，可满足判断条件。本方法依赖于声程、声速等数据，因此初始稳定温度下的声程、温度测量是必须步骤。在超声波测量中，气流的突变导致的流场不稳定，温度的改变导致超声波换能器波形不一致，都会造成ΔT计时误差为一个或多个整波的现象，而本方法能提高对超声波测量中丢波问题的判断或数据修补，防止出现错误的测量数据，对提高燃气计量的可靠、准确性有重要作用。

Claims (1)

1.基于定态参数进行波数判断的超声波燃气表防计量错误方法，其特征在于：首先需要确定定态参数，定态参数在燃气表装配完成后在使用周期内不会变化，定态参数包括声程、极值流量时根据极值顺流飞渡时间、极值逆流飞渡时间和极值顺流逆流飞渡的时差计算出来的偏离波数值，通过测量、实时计算来判断当前测量是否发生了丢波错误，计算及判据依赖于上述的定态参数；

具体步骤如下：

1）定态声程L₀参数测量

将燃气表进出气口堵上，使流速v=0,在温度稳定情况下，测量温度值TP₀，测量顺流飞渡时间T₁₂, 逆流飞渡时间T₂₁,及顺流逆流飞渡的时差ΔT，此时T₁₂≈T₂₁，

根据声速公式：

公式(4)

计算出当前声速c, 其中，C₀为0℃时的介质声速，

公式（1）

由公式（1）可计算声程，L为声程，φ为声程夹角，此时公式中v=0,

L₀=c* T₁₂

计算出的L₀作为流道声程的固定参数保存；

2）定态极值偏离波数N测量

使用稳流装置给燃气表通极值流量, 测量极值流速V_MAX、极值测量时的稳定温度TP₁、极值顺流飞渡时间T_12MAX、极值逆流飞渡时间T_21MAX及极值顺流逆流飞渡的时差ΔT_MAX，取周期为T₀=1/f,f为换能器谐振频率，

设N为偏离的整波数范围为(-2，-1，0，1，2),使用下列公式计算当前理论推测的理论极值顺流飞渡时间T_A12MAX , 理论极值逆流飞渡时间T_A21MAX,理论极值时差ΔT_AMAX，

T_A12MAX= L₀/(C_TP1+ V_MAX*cosφ)

T_A21MAX = L₀/(C_TP1- V_MAX*cosφ)

ΔT_AMAX= T_A21MAX – T_A12MAX 公式（5）

其中C_TP1可以通过TP₁带入到公式（4）

中计算得出；

用以下公式计算N的值：

T_A12MAX =N_max12* T₀+ T_12MAX

T_A21MAX= N_max21* T₀+ T_21MAX

ΔT_AMAX= N_ΔTMAX* T₀+ΔT_MAX 公式（6）

N_max12, N_max21, N_ΔTMAX对应为极值流速时的顺流最大偏离波数、逆流最大偏离波数、时差最大偏离波数，

V_MAX*cosφ由公式（2）计算得出；

公式（2）

正常范围是N_max12=N_max21≥0, N_ΔTMAX =0，因为大流速时波形一般会衰减，因此此时T_12MAX、T_21MAX会同步延迟整数个周期，但ΔT_MAX保持其精度不变，由于N_max12=N_max21，可统一由N_max代替，N_max= N_max12=N_max21；

3）动态参数测量

在进行正常的流量测量过程中，测量顺流飞渡时间T₁₂、逆流飞渡时间T₂₁及顺流逆流飞渡的时差ΔT,本方法还需要动态温度TP_N参与对顺流飞渡估算时间T_A12、逆流飞渡估算时间T_A21、顺流逆流飞渡的时差估算ΔT_A的运算,由以下公式计算T_A12，T_A21，ΔT_A，

T_A12= L₀/(C_TPN+ v*cosφ)

T_A21 = L₀/(C_TPN- v*cosφ)

ΔT_A= T_A21 – T_A12

其中C_TPN可以通过TP_N带入到公式（4）

中计算得出；

由以下公式

T_A12 =N_A12* T₀+ T₁₂

T_A21= N_A21* T₀+ T₂₁

ΔT_A= N_ΔT* T₀+ ΔT

计算N_A12，N_A21, N_ΔT在测量过程中的偏离波数，N_A12，N_A21, N_ΔT为顺流偏离波数、逆流偏离波数、时差偏离波数；

4）判据

N_A12，N_A21, N_ΔT按四舍五入取整:

当N_A12 =N_A21≤N_max, 且N_ΔT=0时，当前测量有效；

当N_A12 ≠N_A21,或N_ΔT≠0，测量无效,采用过零测时的测量方法，对3）中的测量数据进行纠错，N_A12 =N_A21+1时, T₂₁取后一个波的测时数据；N_A12 =N_A21-1时, T₁₂取前一个波的测时数据，从而得到正确的ΔT。

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