CN111337093B

CN111337093B - 一种超声波流量测量方法及装置

Info

Publication number: CN111337093B
Application number: CN202010210577.0A
Authority: CN
Inventors: 陈勇; 张若凡; 尹政龙; 张翔; 吴宗谕
Original assignee: National University of Defense Technology
Current assignee: National University of Defense Technology
Priority date: 2020-03-23
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2021-06-01
Anticipated expiration: 2040-03-23
Also published as: CN111337093A

Abstract

本发明公开了一种超声波流量测量方法及装置，其特征在于，包括以下步骤：S101：测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φ_{frac_d}与逆流相位差Φ_{frac_u}；S102：进行顺流测量或逆流测量，利用同一频率，在发射端只发射若干个周期的信号，接收端经过延时后得到相应的延时信号；S103：计算所述顺流测量时的延时估计值t_s、所述逆流测量时的延时估计值t_u；S104：根据所述步骤S103计算得到的t_s、t_u，求取得到顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u；S105：根据所述步骤S104得到的顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u，求取顺流整体相位和逆流整体相位。相较于现有技术中基于侧音方式的连续波测量方法需要采用多个频率的声波，本发明仅用一个频率声波就能实现在保证测量范围的同时，利用连续波方法获得高精度测量，使得测量更加便捷，缩短了测量的反应时间。

Description

一种超声波流量测量方法及装置

技术领域

本发明涉及超声波技术领域，特别是涉及一种超声波流量测量方法及装置。

背景技术

超声波流量计利用管道流动中声波顺逆流传播的显著区别，通过处理声波信号获得管道平均流速信息，进而预测管道流动流量。超声波流量计具有不侵入被测流体、无运动部件、不影响流体流动等优势，从而广泛应用于各种工业领域。在航空航天领域，Matthijssen和Van Put为欧空局开发了一款用于空间管道测量的基于脉冲波体系的超声波流量计，并作为载荷已搭载于欧空局2013年7月发射的Alphabus通信卫星上。

在脉冲波体系下，能量经过换能器的带通滤波而有了较大的衰减。因此，接收信号的信噪比(SNR)会较低，从而使得对传播时间的测量较为困难。此外，由于工业生产的原因，超声波探头存在不一致的问题，从而使得共振频率不一致并且随着外界环境的改变而变化。探头共振频率的不一致性将导致明显的测量误差。

对于连续波体系，管壁中声波传播的能量远小于管道内流体中声波传播能量，典型应用就是航空航天小管径，如图1所示，图中具有两个超声波探头1，分别设置在声波传播通道2的一侧，L为声波传播通道2的长度，连续声波的能量可以较大。探头在连续波体系下属于受迫振动，从而不存在频率不一致问题。最近，Yang提出了一种基于连续波体系的流量测量方法，然而该方法只适用于不存在模糊数的情况，流量测量范围受到了限制。为了得到较大的测量范围，基于连续波与脉冲波体系的技术由Folkestad提出，该方法把脉冲波切入到连续波中，通过检测脉冲波(而不是连续波)进行流量检测。因为该方法检测的是脉冲波而非连续波，因此超声波探头频率不一致性的问题就没有得到解决。

对于脉冲波的测量方法，探头(同一批生产的探头也会存在该情况)的不一致性将引起脉冲响应的不同，外界环境的变化加剧了探头的频谱响应不一致性，从而导致无法避免的测量误差。另一方面，脉冲波体系下的较低的能量转换使得声波信号的SNR较低，从而增大了流量的测量误差。连续波体系较好地解决了脉冲波体系的困难，但是也带来了测量模糊的问题。现有技术中提出的基于侧音(多个频率的声波)方式的连续波测量方法，较好地解决了测量模糊的问题，然而所需要的侧音个数较多，增加了系统的复杂度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种超声波流量测量方法及装置。

本发明主要解决的技术问题是如何高效快速地实现小管径管道(直径15mm以下应用情况，工业应用有航空航天，石油传输，精密仪器，城市供水系统终端)流动的连续超声波流量测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种超声波流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φ_{frac_d}与逆流相位差Φ_{frac_u}；S102：进行顺流测量或逆流测量，利用同一频率，在发射端只发射若干个周期的信号，接收端经过延时后得到相应的延时信号；S103：计算所述顺流测量时的延时估计值t_s、所述逆流测量时的延时估计值t_u；S104：根据所述步骤S103计算得到的t_s、t_u，求取得到顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u；S105：根据所述步骤S104得到的顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u，求取顺流整体相位和逆流整体相位。

进一步地，所述步骤S101中采用连续波的方法测量所述顺流相位差与所述逆流相位差。

进一步地，所述步骤S102中，所述发射端发射的信号最大周期数N_max满足：

N_max＜L/fC，其中，L为流量计中管道长度；C为声波在静止流体中的传播速度；f为侧音频率。

进一步地，所述步骤S102中，所述若干个周期为10～50。

进一步地，利用延时估计算法计算所述顺流测量时的延时估计值t_s、所述逆流测量时的延时估计值t_u。

进一步地，所述步骤S104中：通过以下公式计算所述顺流模糊数Int_d：Int_d＝[t_s·f]_0.5；通过以下公式计算所述逆流模糊数Int_u：Int_u＝[t_u·f]_0.5；上述公式中，f为侧音频率。

进一步地，所述步骤S105中，根据以下公式求取所述顺流整体相位Φ_d：Φ_d＝Int_d×360+Φ_{frac_d}；根据以下公式求取所述逆流整体相位Φ_u：Φ_u＝Int_u×360+Φ_{frac_u}。

另外，本发明还提供了一种超声波流量测量装置，其特征在于，包括：相位差测量模块：用于测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φ_{frac_d}与逆流相位差Φ_{frac_u}；超声波探测模块，所述超声波探头包括发射端和接收端，所述发射端用于利用同一频率只发射若干个周期的信号，所述接收端用于接收经过延时后得到相应的延时信号；延时估计值计算模块，用于计算顺流测量时的延时估计值t_s、逆流测量时的延时估计值t_u；模糊数求取模块，用于根据所述延时估计值计算模块计算得到的t_s、t_u，求取得到顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u；整体相位求取模块，用于根据所述模糊数求取模块得到的顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u，求取顺流整体相位和逆流整体相位。

进一步地，所述发射端发射的信号最大周期数N_max满足：N_max＜L/fC，其中，L为流量计中管道长度；C为声波在静止流体中的传播速度；f为侧音频率。

进一步地，所述模糊数求取模块通过以下公式计算所述顺流模糊数Int_d：Int_d＝[t_s·f]_0.5；通过以下公式计算逆流模糊数Int_u：Int_u＝[t_u·f]_0.5；上述公式中，f为侧音频率。

进一步地，所述整体相位求取模块根据以下公式求取所述顺流整体相位Φ_d：Φ_d＝Int_d×360+Φ_{frac_d}；根据以下公式求取所述逆流整体相位Φ_u：Φ_u＝Int_u×360+Φ_{frac_u}。

本发明有益效果在于：

相较于现有技术中基于侧音方式的连续波测量方法需要采用多个频率的声波，本发明仅用一个频率声波就能实现在保证测量范围的同时，利用连续波方法获得高精度测量，使得测量更加便捷，缩短了测量的反应时间。

在脉冲波中，本发明利用多周期连续波激励，使得接收端的信号呈现出连续波的情况，避免了传统脉冲波测量中探头频率不一致的问题。另外，本发明利用多周期脉冲波体制获得快速获得模糊数，从而保证了测量范围，并且同时利用连续波方法获得高精度测量。

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。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明中的连续波典型应用场景图；

图2为本发明中的声波顺流传播示意图；

图3为本发明中一种超声波流量测量方法的流程图；

图4a为本发明中的顺流情况下20个周期1MHz的发射端信号示意图；

图4b为本发明中的顺流情况下20个周期1MHz的接受端信号示意图；

图5为本发明中的顺流中接收与发射信号的互相关结果图；

图6为本发明中的一种超声波流量测量装置的示意图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。

对于超声波流量测量而言，其测量原理如下所述。假设一连续平面声波如图2所示，在不考虑声强的情况下，声压表示为p＝exp(i2πft)；在管道流体中传播，流体流动形成稳定的均匀流场(U)。

令流量计中管道长度为L，管道半径为R，声波在静止流体中的传播速度为C。对于顺流传播而言，相位变化为：

对于逆流传播而言，相位变化为：

公式(1)与公式(2)的差可以表示为：

同时，公式(1)与公式(2)两式相乘得到：

公式(4)代入公式(3)可以得到关于流速的方程：

则管道流动中体积流量可以表示为：

根据公式(6)，需要测量顺流与逆流流动中的相位(Φ_d和Φ_u)。

由于采用连续波测量，则相位差超过360°后将发生整周期模糊的问题，使得测量发生错误。因此，基本的连续波测量需要满足：

对公式(6)进行微分可以得到：

由于顺逆测量过程中相位检测精度一致，则上式可以近似为：

公式(1)代入上式可以得到：

从上述公式可以看到，当相位检测绝对误差ΔΦ_d不变时，高频率声波带来的测量误差减小。因此，为解决高精度与宽范围的测量问题，现有技术中利用多个频率(侧音)进行检测。

举例说明，假设L＝0.2m，C＝1500m/s以及U＝10m/s。连续波中相位延时的范围为Φ_frac∈(-180°,180°)。要满足顺逆流独立解模糊，则最小侧音要小于3.7KHz(公式(7)给出)。然而高精度测量需要高频的声波频率，假设最高侧音为1MHz。以最小侧音为2KHz为例，假设侧音之间的倍数不超过5，则侧音可选择为2KHz、10KHz、50KHz、250KHz以及1MHz。为了适应超声波换能器的带宽，需要选择折叠音(folded multi-tone laning strategy)进行侧音的计算。本文中所谓的“折叠音”指的是对难以精准测量的低频声波的相位变化可以通过分别测量两个高频声波的相位变化，然后相减来获得。

对比例1：

表1与表2分别给出了顺流与逆流情况下各侧音对应的相位变化以及通过解模糊算法(公式(11))得到的相位。

上述公式(11)中，K表示相邻侧音频率之间的递进倍数，一般情况下取4～5。

表1.顺流传播过程中不同侧音的相位变化

侧音频率f(KHz)	K	Φ<sub>frac</sub>(°)	计算Φ(°)
				2	0	95.3642	95.3642
10	5	116.8212	476.8212
				50	5	-135.8940	2384.1060
250	5	40.5298	11921.5298
				1000	4	162.1192	47682.1192

表2.逆流传播过程中不同侧音的相位变化

侧音频率f(KHz)	K	Φ<sub>frac</sub>(°)	计算Φ(°)
				2	0	96.6443	96.6443
10	5	123.2215	483.2215
				50	5	-103.8926	2416.1074
250	5	-159.4631	11921.5369
				1000	4	82.1477	48322.1477

由表1与表2可以看到，随着侧音频率的增加，顺逆流相位差越来越大，表明时间分辨率越精细，流量测量误差越小。最后，流量测量可以通过公式(6)进行求解。

实施例1：超声波流量测量方法

为解决多频率带来的测量相应时间慢的问题，本发明实施例只利用一个频率(一般情况取最高频率，该频率一般设置为超声波探头的共振频率，或接近超声波探头的共振频率的一个频率)实现上述测量问题。

具体而言，流程图请参考图3所示。一种超声波流量测量方法，包括以下步骤：

S101：测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φ_{frac_d}与逆流相位差Φ_{frac_u}；

S102：进行顺流测量或逆流测量，利用同一频率，在发射端只发射若干个周期的信号，接收端经过延时后得到相应的延时信号；

S103：计算顺流测量时的延时估计值t_s、顺流测量时的延时估计值t_u；

S104：根据所述步骤S103计算得到的t_s、t_u，求取得到顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u；

S105：根据所述步骤S104得到的顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u，求取顺流整体相位和逆流整体相位。

具体实施时，首先，在测量顺流与逆流相位差时，仍然采用连续波方式获得顺流与逆流过程中的相位差Φ_{frac_d}以及Φ_{frac_u}。

其次，利用同一频率，在发射端只发送10～20个周期的信号(周期数可根据实际需要确定，为实现方便，在50个周期内较为合适。准确来说，周期数越多，测量的时间延时约精确。最大周期数N_max满足：N_max＜L/fC。但是需要消耗大量资源用于存储声波传播数据。此外，数据越多，算法所需要时间越长，带来系统暂态响应能力弱。)。接收端经过延时后可以得到相应的延时信号，图4a和图4b分别所示为顺流情况下频率为1MHz的20个周期的发射端与接收端示意图。当然，在本发明的实际应用中，所使用的频率和周期数都可以根据实际需要和应用场景进行选择和调整。

利用延时估计算法(互相关，广义互相关等)，得到延时估计t_s＝1.3246×10^-4。图5显示为信号的互相关结果。延时估计通过搜索最大值对应的时间即可得到。

在获得延时估计的情况下，通过如下方程求取模糊数：

Int_d＝[t_s·f]_0.5＝[1.3246×10^-4×1×10⁶]＝132. (12)

利用通过连续波测量的含模糊数的相位，整体相位可以得到：

Φ_d(1MHz)＝Int_d×360+Φ_{frac_d}＝47682.1192. (13)

不难看出，结果与表1中的结果一致。

在完成顺流测量的基础上，开始逆流测量。同样采用10～20个周期1MHz的信号激励，激励端与接收端的信号特征与图4a和图4b相似(当然，在本发明的实际应用中，所使用的频率和周期数都可以根据实际需要和应用场景进行选择和调整。)。利用不同于已有模型，采用多频率声波实现解模糊，本发明实施例利用连续波串(即同一侧音音频多周期发送)实现相位解模糊。具体而言，利用延时估计算法(互相关，广义互相关等)，得到延时估计t_u＝1.3424×10^-4s。通过如下方程求取逆流传播中模糊数：

Int_u＝[t_u·f]_0.5＝[1.3424×10^-4×1×10⁶]＝134. (14)

利用通过连续波测量的含模糊数的相位，整体相位可以得到

Φ_u(1MHz)＝Int_u×360+Φ_{frac_u}＝48322.1477. (15)

测量结果与表2一致。

综上所述，相较于标准侧音测相方法中运用多个频率声波，本发明实施例只用一个频率声波就解决了测量问题。在脉冲波中，本发明实施例利用多周期连续波激励，使得接收端的信号呈现出连续波的情况，避免了传统脉冲波测量中探头频率不一致的问题。本发明实施例利用多周期脉冲波体制获得快速获得模糊数，从而保证了测量范围。同时利用连续波方法获得高精度测量。

实施例2：超声波流量测量装置

本发明实施例，请参考图6所示，一种超声波流量测量装置，包括：

相位差测量模块3，用于测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φ_{frac_d}与逆流相位差Φ_{frac_u}；

超声波探测模块，所述超声波探头具有发射端4和接收端5，所述发射端4用于利用同一频率只发射若干个周期的信号，所述接收端5用于接收经过延时后得到相应的延时信号；

延时估计值计算模块6，用于计算顺流测量时的延时估计值t_s、顺流测量时的延时估计值t_u；

模糊数求取模块7，用于根据所述延时估计值计算模块计算得到的t_s、t_u，求取得到顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u；

整体相位求取模块8，用于根据所述模糊数求取模块得到的顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u，求取顺流整体相位和逆流整体相位。

本发明实施例，所述发射端4发射的信号最大周期数N_max满足：

N_max＜L/fC，

其中，L为流量计中管道长度；C为声波在静止流体中的传播速度；f为侧音频率。

本发明实施例，所述模糊数求取模块7通过以下公式计算顺流模糊数Int_d：

Int_d＝[t_s·f]_0.5 ；

式中，f为侧音频率；

通过以下公式计算逆流模糊数Int_u；

Int_u＝[t_uf]₀.₅；

式中，f为侧音频率。

本发明实施例，所述整体相位求取模块8根据以下公式进行顺流整体相位Φ_d(1MHz)(以频率为1MHz为例)：

Φ_d(1MHz)＝Int_d×360+Φ_{frac_d}；

根据以下公式进行逆流整体相位Φ_u(1MHz)：

Φ_u(1MHz)＝Int_u×360+Φ_{frac_u}。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

参考资料

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[4]M.Takamoto,H.Ishikawa,K.Shimizu,H.Monji,G.Matsui.New MeasurementMethod for Very Low Liquid Flow Rates Using Ultrasound[J].Flow Measurementand Instrumentation,2001,12:267-273.

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Claims

1.一种超声波流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S103：利用延时估计算法计算所述顺流测量时的延时估计值t_s、所述逆流测量时的延时估计值t_u；

S105：根据所述步骤S104得到的顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u，求取顺流整体相位和逆流整体相位；

所述步骤S104中：通过以下公式计算所述顺流模糊数Int_d：Int_d＝[t_s·f]_0.5；通过以下公式计算所述逆流模糊数Int_u：Int_u＝[t_u·f]_0.5；上述公式中，f为侧音频率；

所述步骤S105中，根据以下公式求取所述顺流整体相位Φ_d：

Φ_d＝Int_d×360+Φ_{frac_d}；根据以下公式求取所述逆流整体相位Φ_u

Φ_u＝Int_u×360+Φ_{frac_u}。

2.根据权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，所述步骤S101中采用连续波的方法测量所述顺流相位差与所述逆流相位差。

3.根据权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，所述步骤S102中，所述发射端发射的信号最大周期数N_max满足：

N_max＜L/fC，

4.根据权利要求3所述的超声波流量测量方法，其特征在于，所述步骤S102中，所述若干个周期为10～50。

5.根据权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，利用互相关或广义互相关延时估计算法计算所述顺流测量时的延时估计值t_s、所述逆流测量时的延时估计值t_u。

6.根据权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，采用1MHz的信号激励时，t_s＝1.3246×10^-4s，t_u＝1.3424×10^-4s，所述步骤S104中：

通过以下公式计算所述顺流模糊数Int_d：

Int_d＝[t_s·f]_0.5＝[1.3246×10^-4×1×10⁶]＝132；

通过以下公式计算所述逆流模糊数Int_u；

Int_u＝[t_u·f]_0.5＝[1.3424×10^-4×1×10⁶]＝134；

上述公式中，f为侧音频率。

7.根据权利要求1～6任一项所述的超声波流量测量方法，其特征在于，所述步骤S105中，

根据以下公式求取所述顺流整体相位Φ_d：

Φ_d(1MHz)＝Int_d×360+Φ_{frac_d}＝47682.1192；

根据以下公式求取所述逆流整体相位Φ_u：

Φ_u(1MHz)＝Int_u×360+Φ_{frac_u}＝48322.1477。

8.一种超声波流量测量装置，其特征在于，包括：

相位差测量模块：用于测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φ_{frac_d}与逆流相位差Φ_{frac_u}；

超声波探测模块，所述超声波探头包括发射端和接收端，所述发射端用于利用同一频率只发射若干个周期的信号，所述接收端用于接收经过延时后得到相应的延时信号；

延时估计值计算模块，用于利用延时估计算法计算顺流测量时的延时估计值t_s、逆流测量时的延时估计值t_u；

模糊数求取模块，用于根据所述延时估计值计算模块计算得到的t_s、t_u，求取得到顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u；

整体相位求取模块，用于根据所述模糊数求取模块得到的顺流模糊数Int_d以及逆流模糊数Int_u，求取顺流整体相位和逆流整体相位；

所述模糊数求取模块通过以下公式计算所述顺流模糊数Int_d：

Int_d＝[t_s·f]_0.5；

通过以下公式计算所述逆流模糊数Int_u；

Int_u＝[t_u·f]_0.5；

上述公式中，f为侧音频率；

所述整体相位求取模块根据以下公式求取所述顺流整体相位Φ_d：

Φ_d＝Int_d×360+Φ_{frac_d}；

根据以下公式求取所述逆流整体相位Φ_u：

Φ_u＝Int_u×360+Φ_{frac_u}。

9.根据权利要求8所述的超声波流量测量装置，其特征在于，所述发射端发射的信号最大周期数N_max满足：

N_max＜L/fC，

10.根据权利要求8所述的超声波流量测量装置，其特征在于，采用1MHz的信号激励时，t_s＝1.3246×10^-4s，t_u＝1.3424×10^-4s，所述模糊数求取模块通过以下公式计算所述顺流模糊数Int_d：

Int_d＝[t_s·f]_0.5＝[1.3246×10^-4×1×10⁶]＝132.；

通过以下公式计算逆流模糊数Int_u；

Int_u＝[t_u·f]_0.5＝[1.3424×10^-4×1×10⁶]＝134.；

上述公式中，f为侧音频率。

11.根据权利要求10所述的超声波流量测量装置，其特征在于，所述整体相位求取模块根据以下公式求取所述顺流整体相位Φ_d：

Φ_d(1MHz)＝Int_d×360+Φ_{frac_d}＝47682.1192；

根据以下公式求取所述逆流整体相位Φ_u：

Φ_u(1MHz)＝Int_u×360+Φ_{frac_u}＝48322.1477。