CN110243421B - 带频率漂移修正功能的超声波流量计的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带频率漂移修正功能的超声波流量计及其修正方法，属于超声波流量计领域。该超声波流量计包括上游换能器、下游换能器、信号切换开关、低噪声放大器、带通滤波器、可变增益放大器、微控制器、温度传感器、激励信号缓冲器；上下游换能器分别与信号切换开关连接，信号切换开关与低噪声放大器、激励信号缓冲器分别连接；低噪声放大器与带通滤波器连接，带通滤波器与可变增益放大器连接，可变增益放大器与微控制器连接；微控制器与激励信号缓冲器、温度传感器连接；解决了现有的超声波流量计由于换能器谐振频率漂移导致测量结果不准确的问题；达到了提高超声波流量计时间差测量的准确性，提高超声波流量计的测量精度的效果。

Description

带频率漂移修正功能的超声波流量计的修正方法

技术领域

本发明实施例涉及超声波流量计领域，特别涉及一种带频率漂移修正功能的超声波流量计及其修正方法。

背景技术

采用时差法测量介质流量的超声波流量计的工作原理为：根据超声波信号顺流传播时间与逆流传播时间之差来计算介质的流速，再根据管道的物理参数确定介质的体积流量。

现有的超声波流量计中，一般是通过产生一个频率与超声波换能器谐振频率相同的方波信号，利用该方波信号分别驱动上下游超声波换能器，使超声波换能器工作在串联谐振状态，交替进行超声波信号的接收与发射，然后通过测量顺流与逆流收发时超声波信号的传播时间差，得到介质流速，进而得到介质的体积流量。为了获取准确的测量结果需要上下游超声波换能器的谐振频率与驱动信号频率保持一致，令在一固定频率信号驱动时，接收换能器和发射换能器都能处于谐振状态。

然而，超声波换能器的谐振频率会受到环境温度的影响，也会随着换能器的老化发生漂移，使得换能器的谐振频率偏离驱动信号频率，而超声波流量计中上下游换能器的谐振漂移程度可能也不相同，谐振频率的漂移使上下换能器的谐振频率与驱动信号的频率三者无法保持一致，从而影响超声波流量计的测量精度和稳定性。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种带频率漂移修正功能的超声波流量计及其修正方法。该技术方案如下：

第一方面，提供了一种带频率漂移修正功能的超声波流量计，包括上游换能器、下游换能器、信号切换开关、低噪声放大器、带通滤波器、可变增益放大器、微控制器、温度传感器、激励信号缓冲器；

上游换能器、下游换能器分别与信号切换开关连接，信号切换开关与低噪声放大器、激励信号缓冲器分别连接；

低噪声放大器与带通滤波器连接，带通滤波器与可变增益放大器连接，可变增益放大器通过模数转换器与微控制器连接；

微控制器与激励信号缓冲器连接，微控制器与温度传感器连接。

可选的，模数转换器集成在微控制器中。

第二方面，提供了一种带频率漂移修正功能的超声波流量计的修正方法，该方法应用于如第一方面所示的带频率漂移修正功能的超声波流量计的微控制器中，该方法包括：

获取当前时刻超声波流量计的激励信号频率和对应的基准温度；

通过温度传感器获取当前时刻的环境温度；

检测基准温度与当前时刻的环境温度之差是否大于预设温度差；

若检测到基准温度与当前时刻的环境温度之差大于预设温度差，则利用频率为修正频率的激励信号先后激发上游超声波换能器和下游超声波换能器发射超声波信号，根据接收到的超声波信号获得回波信号，根据回波信号获取两条频率-信号幅值曲线；

获取两条频率-信号幅值曲线的交点，将交点对应的频率作为测流量时的超声波流量计使用的激励信号频率，将当前时刻的环境温度作为对应的基准温度；

根据交点对应的信号幅值调整可变增益放大器的增益；

其中，修正频率为F'，F'＝F₀+n*ΔF,n＝[-N,N]；

F₀为当前时刻超声波流量计的激励信号频率，N是预先设置的值，ΔF为扫频间隔。

可选的，利用频率为修正频率的激励信号先后激发上游超声波换能器和下游超声波换能器发射超声波信号，根据接收到的超声波信号获得回波信号；根据回波信号获取两条频率-信号幅值曲线，包括：

利用频率为修正频率的激励信号激发上游超声波换能器发射超声波信号，根据下游超声波换能器接收到的超声波信号获得回波信号，根据回波信号获取第一条频率-信号幅值曲线；

利用频率为修正频率的激励信号激发下游超声波换能器发生超声波信号，根据上游超声波换能器接收到超声波信号获得回波信号，根据回波信号获取第二条频率-信号幅值曲线。

可选的，根据交点对应的信号幅值调整可变增益放大器的增益，包括：

获取激励信号频率修正前的回波信号幅值；

根据交点处的信号幅值与激励信号频率修正前的回波信号幅值之差，调整可变增益放大器的增益。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

该带频率漂移修正功能的超声波流量计包括上下游换能器、信号切换开关、低噪声放大器、带通滤波器、可变增益放大器、温度传感器、微控制器、激励信号缓冲器，利用温度传感器获取环境温度，通过微控制器比较环境温度和激励信号频率对应的基准温度，当基准温度与当前时刻的环境温度之差大于预设温度差时，则利用频率为修正频率的激励信号先后激发上下游超声波换能器，接收超声波信号，根据接收到的超声波信号获得回波信号，获取两条频率-信号幅值曲线，根据两条频率-信号幅值曲线的交点对应的频率、温度修正超声波流量计的激励信号频率和对应的基准温度；解决了现有的超声波流量计由于换能器谐振频率漂移导致测量结果不准确的问题；根据环境温度的变化及时调整激励信号的频率，令顺流与逆流收发时获得的回波信号幅值保持一致，同时根据信号幅值的大小调整可变增益放大器的增益，实现自动增益控制，有利于保证回波质量，提高时间差测量的准确定性，提高超声波流量计的测量精度的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是根据一示例性实施例示出的一种带频率漂移修正功能的超声波流量计的结构框图；

图2是根据一示例性实施例示出的一种带频率漂移修正功能的超声波流量计的修正方法的流程图；

图3是根据一示例性实施例示出的一种频率-信号幅值曲线的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本申请实施例提供了一种带频率漂移修正功能的超声波流量计的结构框图，包括上游换能器1、下游换能器2、信号切换开关3、低噪声放大器4、带通滤波器5、可变增益放大器6、微控制器9、温度传感器10、激励信号缓冲器8、模数转换器ADC。

上游换能器1、下游换能器2分别与信号切换开关3连接；通过信号切换开关，上游换能器1和下游换能器2交替作为发射换能器和接收换能器；当上游换能器1作为发射换能器时，下游换能器2作为接收换能器；当下游换能器2 作为发射换能器时，上游换能器1作为接收换能器。

信号切换开关3受微控制器9控制。

信号切换开关3与低噪声放大器4、激励信号缓冲器8分别连接。

低噪声放大器4与带通滤波器5连接，带通滤波器5与可变增益放大器6 连接，可变增益放大器6通过模数转换器ADC与微控制器9连接。

可变增益放大器6接公共参考电压VCOM。

微控制器9与激励信号缓冲器8连接，微控制器与温度传感器10连接。

在微控制器9与发射换能器之间增加激励信号缓冲器8可以增强激励信号的驱动能力。

温度传感器10用于获取环境温度；温度传感器10将获取到的环境温度数据发送至超声波流量计的微控制器9。超声波流量计每次开始测量流量之前，微控制器9读取一次温度传感器10发送的环境温度数据。

接收换能器将接收到的超声波信号通过低噪声放大器进行初步放大，经过初步放大后的超声波信号通过带通滤波器滤波干扰杂波，滤除干扰杂波后的超声波信号再通过可变增益放大器进一步放大，得到回波信号。

回波信号在由微控制器9进行处理之前，需要通过模数转换器ADC采样。

微控制器9中包括多个功能单元，信号幅值计算单元、增益控制单元、激励信号生成单元、收发切换单元、温度读取单元。微控制器9用于产生不同频率的激励信号、用于根据温度变化决定是否启动漂移频率修正程序、用于调整可变增益放大器的增益、用于根据回波信号计算信号幅值等。

可选的，模数转换器ADC集成在微控制器9中。

可选的，微控制器9还集成有定时器。

请参考图2，其示出了本申请一个实施例提供的带频率漂移修正功能的超声波流量计的修正方法的流程图。该修正方法适用于如图1所示带频率漂移修正功能的超声波流量计的微控制器中。如图2所示，该修正方法可以包括以下步骤：

步骤201，获取当前时刻超声波流量计的激励信号频率和对应的基准温度。

在超声波流量计开始进行流量测试之前，通过超声波流量计的微控制器获取当前时刻超声波流量计的激励信号频率F₀，以及获取当前时刻超声波流量计的激励信号频率F₀对应的基准温度T₀。

步骤202，通过温度传感器获取当前时刻的环境温度。

温度传感器获取当前时刻的环境温度T₁并发送至超声波流量计的微控制器。

步骤203，检测基准温度与当前时刻的环境温度之差是否大于预设温度差。

获取基准温度T₀与当前时刻的环境温度T₁之差ΔT，检测基准温度T₀与当前时刻的环境温度T₁之差ΔT是否大于预设温度差。

可选的，获取基准温度T₀与当前时刻的环境温度T₁之差ΔT的绝对值，检测基准温度T₀与当前时刻的环境温度T₁之差ΔT的绝对值是否大于预设温度差。

预设温度差是预先根据实际情况设置的。

若检测到基准温度T₀与当前时刻的环境温度T₁之差ΔT不大于预设温度差，则微控制器启动该超声波流量计的流量测量程序，进行流量测量。

若检测到基准温度T₀与当前时刻的环境温度T₁之差ΔT大于预设温度差，则执行步骤204。

步骤204，利用频率为修正频率的激励信号先后激发上游超声波换能器和下游超声波换能器发射超声波信号，根据接收到的超声波信号获得回波信号，根据回波信号获取两条频率-信号幅值曲线。

修正频率为F'，F'＝F₀+n*ΔF,n＝[-N,N]；

F₀为当前时刻超声波流量计的激励信号频率，N是预先设置的值，ΔF为扫频间隔。

N受换能器带宽及温度特性影响；扫频间隔ΔF由超声波换能器的带宽决定，超声波换能器的带宽越窄，ΔF越小，N越大。

假设当温度变化ΔT'时，超声波换能器谐振频率最多变化F，F是通过对大量超声波换能器进行测试获得的统计数据，则N＝F/ΔF。

具体的，利用频率为修正频率的激励信号激发上游超声波换能器发射超声波信号，根据下游超声波换能器接收到的超声波信号获得回波信号，根据回波信号获取第一条频率-信号幅值曲线。

利用频率为修正频率的激励信号激发下游超声波换能器发生超声波信号，根据上游超声波换能器接收到超声波信号获得回波信号，根据回波信号获取第二条频率-信号幅值曲线。

不论是下游超声波换能器作为接收换能器，还是上游超声波换能器作为接收换能器，接收到的超声波信号通过信号切换开关后经过低噪声放大器放大，再经过带通滤波器滤除干扰杂波，再经过可变增益放大器放大后，通过ADC采样获得回波信号。

微控制器根据回波信号计算回波信号的信号幅值，可以获得频率-信号幅值曲线。

可选的，每条频率-信号幅值曲线包括2N+1个频率点对应的信号幅值。

在一个例子中，获得的根据步骤204获得的两条频率-信号幅值曲线如图3 所示。

步骤205，获取两条频率-信号幅值曲线的交点，将交点对应的频率值作为测流量时的超声波流量计使用的激励信号频率，将当前时刻的环境温度作为对应的基准温度。

在一个例子中，如图3所示，两条频率-信号幅值曲线的交点为点P，点P 处的频率为Fx，将点P处的频率Fx作为测流量时的超声波流量计使用的激励信号频率，将当前时刻的环境温度即T₁作为激励信号频率Fx对应的基准温度。

步骤206，根据交点对应的信号幅值调整所述可变增益放大器的增益。

获取激励信号频率修正前的回波信号幅值。

根据交点处的信号幅值与激励信号频率修正前的回波信号幅值之差，调整可变增益放大器的增益。比如：交点处的信号幅值相较激励信号频率修正前的回波信号幅值升高，则增加可变增益放大器的增益，增加量为交点处的信号幅值与激励信号频率修正前的回波信号幅值之差。

需要说明的是，步骤205可以和步骤206同时执行。在步骤205和步骤206 执行完后，超声波流量计的微控制器启动该超声波流量计的流量测量程序，进行流量测量。

综上所述，本申请实施例中的带频率漂移修正功能的超声波流量计包括上下游换能器、信号切换开关、低噪声放大器、带通滤波器、可变增益放大器、温度传感器、微控制器、激励信号缓冲器，利用温度传感器获取环境温度，通过微控制器比较环境温度和激励信号频率对应的基准温度，当基准温度与当前时刻的环境温度之差大于预设温度差时，则利用频率为修正频率的激励信号先后激发上下游超声波换能器，接收超声波信号，根据接收到的超声波信号获得回波信号，获取两条频率-信号幅值曲线，根据两条频率-信号幅值曲线的交点对应的频率、温度修正超声波流量计的激励信号频率和对应的基准温度；解决了现有的超声波流量计由于换能器谐振频率漂移导致测量结果不准确的问题；根据环境温度的变化及时调整激励信号的频率，令顺流与逆流收发时获得的回波信号幅值保持一致，同时根据信号幅值的大小调整可变增益放大器的增益，实现自动增益控制，有利于保证回波质量，提高时间差测量的准确定性，提高超声波流量计的测量精度的效果。

需要说明的是：上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种带频率漂移修正功能的超声波流量计的修正方法，其特征在于，用于带频率漂移修正功能的超声波流量计的微控制器中，所述超声波流量计包括上游换能器、下游换能器、信号切换开关、低噪声放大器、带通滤波器、可变增益放大器、微控制器、温度传感器、激励信号缓冲器、模数转换器；

所述上游换能器、所述下游换能器分别与信号切换开关连接，所述信号切换开关与低噪声放大器、激励信号缓冲器分别连接；

所述低噪声放大器与所述带通滤波器连接，所述带通滤波器与所述可变增益放大器连接，所述可变增益放大器通过所述模数转换器与所述微控制器连接；

所述微控制器与激励信号缓冲器连接，所述微控制器与所述温度传感器连接；

所述方法包括：

获取当前时刻超声波流量计的激励信号频率和对应的基准温度；

通过温度传感器获取当前时刻的环境温度；

检测所述基准温度与所述当前时刻的环境温度之差是否大于预设温度差；

若检测到所述基准温度与所述当前时刻的环境温度之差大于所述预设温度差，则利用频率为修正频率的激励信号先后激发上游超声波换能器和下游超声波换能器发射超声波信号，根据接收到的超声波信号获得回波信号，根据所述回波信号获取两条频率-信号幅值曲线；

获取两条频率-信号幅值曲线的交点，将所述交点对应的频率作为测流量时的超声波流量计使用的激励信号频率，将所述当前时刻的环境温度作为对应的基准温度；

根据所述交点对应的信号幅值调整所述可变增益放大器的增益；

其中，所述修正频率为F'，F'＝F₀+n*ΔF,n＝[-N,N]；

F₀为当前时刻超声波流量计的激励信号频率，N是预先设置的值，ΔF为扫频间隔。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用频率为修正频率的激励信号先后激发上游超声波换能器和下游超声波换能器发射超声波信号，根据接收到的超声波信号获得回波信号；根据所述回波信号获取两条频率-信号幅值曲线，包括：

利用频率为修正频率的激励信号激发上游超声波换能器发射超声波信号，根据下游超声波换能器接收到的超声波信号获得回波信号，根据所述回波信号获取第一条频率-信号幅值曲线；

利用频率为修正频率的激励信号激发下游超声波换能器发生超声波信号，根据上游超声波换能器接收到超声波信号获得回波信号，根据所述回波信号获取第二条频率-信号幅值曲线。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述交点对应的信号幅值调整所述可变增益放大器的增益，包括：

获取激励信号频率修正前的回波信号幅值；

根据交点处的信号幅值与激励信号频率修正前的回波信号幅值之差，调整所述可变增益放大器的增益。

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