CN111473827B - V形声道零飘消除方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种V形声道零飘消除方法，超声波流量计包括设置呈三角形设置的三个超声波换能器，且第二超声波换能器和第三超声波换能器相对于第一超声波换能器对称设置。获取Ta，获取Tb，计算该过程中的时间差值
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
；获取Tc，获取Td，计算该过程中的时间差值
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE004
；根据
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE008
计算超声波流量计的零飘时间
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE010
，超声波流量计剔除零飘时间
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE012
以计算流道内的流体流速V，进而根据V和流道的截面面积相应计算获取流道内的流量。本发明中的V形声道零飘消除方法，能够计算零飘时间数据并剔除零飘时间实现了流道内流速以及流量的计算，计算的数据更加准确。

Description

V形声道零飘消除方法
技术领域
本发明涉及一种V形声道零飘消除方法。
背景技术
超声波流量计被广泛的应用在管道中对气体、水流等流体进行计量，超声波流量计采用时差法测量流体的流速，由于其内部电路存在零飘的问题，使用时导致超声波在声道中的传播时间包含延时，因而影响流体的流速测量，进而导致其测量精确度下降。现有技术中，该延时只有在流体流速为0时才可测，而在实际应用中无法满足流体流速为0的条件，进而无法应用到实际超声波流量计中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种能够在使用过程中计算出零飘时间，进而消除零飘时间对超声波流量计测量精度影响的V形声道零飘消除方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种V形声道零飘消除方法，其特征在于：超声波流量计包括设置在在流道的壁面上的第一超声波换能器，以及在流道上相对于第一超声波换能器的壁面上沿流体流动方向间隔设置的第二超声波换能器和第三超声波换能器，其中第二超声波换能器、第一超声波换能器、第三超声波换能器沿流道的流向依次设置，且第二超声波换能器和第三超声波换能器相对于第一超声波换能器对称设置；
获取自第二超声波换能器发射超声波经第一超声波换能器反射至第三超声波换能器接收到超声波的时间Ta，获取自第三超声波换能器发射超声波经第一超声波换能器反射至第二超声波换能器接收到超声波的时间Tb，计算该过程中的时间差值
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
获取自第二超声波换能器发射超声波至第一超声波换能器接收超声波的时间Tc，获取自第三超声波换能器发射超声波至第一超声波换能器接收超声波的时间Td，计算该过程中的时间差值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
根据
Figure DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure DEST_PATH_IMAGE008
计算超声波流量计的零飘时间
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，超声波流量计进行流道内的流体流速V计算时，剔除零飘时间
Figure DEST_PATH_IMAGE012
以计算获取准确的流道内的流体流速V，进而根据V和流道的截面面积相应计算获取流道内的流量。
优选地，第二超声波换能器至第一超声波换成器的之间的声道传播轴线相对于流道的流动轴线之间的夹角为Ɵ，第三超声波换能器与第一超声波换成器之间的声道传播轴线相对于流道的流动轴线之间的夹角为Ɵ；
超声波流量计在进行流量计算的过程中实现V形声道零飘消除方法包括以下步骤：
S1、第二超声波换能器以声速C发射超声波至第一超声波换能器并经第一超声波换能器反射至第三超声波换能器，自第二超声波换能器发射超声波至第三超声波换能器接收到超声波的时间为Ta；
第三超声波换能器以声速C发射超声波至第一超声波换能器并经第一超声波换能器反射至第二超声波换能器，自第三超声波换能器发射超声波至第二超声波换能器接收到超声波的时间为Tb；
则
Figure DEST_PATH_IMAGE016
(1)
Figure DEST_PATH_IMAGE018
(2)
其中L为第二超声波换能器至第一超声波换能器之间声道的距离，也为第三超声波换能器至第一超声波换能器之间声道的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为第二超声波换能器存在的延时，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为第三超声波换能器存在的延时；
S2、采用相关法计算S1中超声波流量计的时间差值
Figure DEST_PATH_IMAGE006A
；
Figure DEST_PATH_IMAGE025
(3)
相应超声波流量计的零飘时间
Figure DEST_PATH_IMAGE012A
；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
(4)
S3、第二超声波换能器以声速C向第一超声波换能器发射超声波，自第二超声波换能器发射超声波至第一超声波换能器接收到超声波的时间为Tc；
第三超声波换能器以声速C向第一超声波换能器发射超声波，自第三超声波换能器发射超声波至第一超声波换能器接收到超声波的时间为Td；
则
Figure DEST_PATH_IMAGE031
(5)
Figure DEST_PATH_IMAGE033
(6)
S4、采用相关法计算S3中超声波流量计的时间差值
Figure DEST_PATH_IMAGE008A
；
Figure DEST_PATH_IMAGE036
(7)
S5、根据公式(3)和公式(7)可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE038
(8)
S6、利用时差法算出流体的流速V；
Figure DEST_PATH_IMAGE040
(9)
S7、根据气体流速V以及和流道的截面面积相应计算获取流道内的流量Q。
为了在大流量的情况下，对流量检测数据影响不大的情况下，减小超声波流量计的计算量，设置时间阈值T，将Ta与T进行比较，如果Ta＜T，则将公式(9)简化为公式(10)，然后按照公式(10)计算流体的流速V；
Figure DEST_PATH_IMAGE042
(10)
如果Ta≥T，则按照公式(9)计算流体的流速V。
优选地，Ɵ=60°。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的V形声道零飘消除方法，将三个超声波换能器呈V形分布设置，利用各超声波换能器之间的声道传播时间来实现流道内流速的计算，计算时，能够实现零飘时间数据的计算，如此进一步能够有效的剔除掉零飘时间以实现了流道内流速以及流量的准确计算，获取的流速以及流量数据更加准确，消除了零飘时间对计算准确性的影响，特别针对小流量也能够实现准确检测。而在进行零飘时间计算式，摆脱了流速为0情况下的测试限制，仅仅通过各超声波换能器之间的声道传播时间即可获取，计算更加方便。
附图说明
图1为本发明实施例中超声波流量计在流道上的安装示意图。
图2为本发明实施例中V形声道零飘消除方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本实施例中的V形声道零飘消除方法利用下述的超声波流量计实现。
如图1所示，超声波流量计具体包括设置在在流道的壁面上的第一超声波换能器SEN1，以及在流道上相对于第一超声波换能器SEN1的壁面上沿流体流动方向间隔设置的第二超声波换能器SEN2和第三超声波换能器SEN3，其中第二超声波换能器SEN2、第一超声波换能器SEN1、第三超声波换能器SEN3沿流道的流向依次设置，且第二超声波换能器SEN2和第三超声波换能器SEN3相对于第一超声波换能器SEN1对称设置。本实施例中的流道为矩形流道，即第一超声波换能器SEN1设置在一个侧壁上，另外两个超声波换能器则设置在与该侧壁相对的侧壁上。第二超声波换能器SEN2至第一超声波换成器的之间的声道传播轴线相对于流道的流动轴线之间的夹角为Ɵ，第三超声波换能器SEN3与第一超声波换成器之间的声道传播轴线相对于流道的流动轴线之间的夹角为Ɵ，其中Ɵ=60°，使得三个超声波换成器构成等腰三角形，而三个超声波换成器之间的传播声道则呈V形。
如图2所示，超声波流量计工作时，获取自第二超声波换能器SEN2发射超声波经第一超声波换能器SEN1反射至第三超声波换能器SEN3接收到超声波的时间Ta，获取自第三超声波换能器SEN3发射超声波经第一超声波换能器SEN1反射至第二超声波换能器SEN2接收到超声波的时间Tb，计算该过程中的时间差值
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
；
获取自第二超声波换能器SEN2发射超声波至第一超声波换能器SEN1接收超声波的时间Tc，获取自第三超声波换能器SEN3发射超声波至第一超声波换能器SEN1接收超声波的时间Td，计算该过程中的时间差值
Figure DEST_PATH_IMAGE004A
；
根据
Figure DEST_PATH_IMAGE006AA
和
Figure DEST_PATH_IMAGE008AA
计算超声波流量计的零飘时间
Figure DEST_PATH_IMAGE010A
，超声波流量计进行流道内的流体流速V计算时，剔除零飘时间
Figure DEST_PATH_IMAGE012AA
以计算获取准确的流道内的流体流速V，进而根据V和流道的截面面积相应计算获取流道内的流量。
具体地，超声波流量计在进行流量计算的过程中实现V形声道零飘消除方法包括以下步骤：
S1、第二超声波换能器SEN2以声速C发射超声波至第一超声波换能器SEN1并经第一超声波换能器SEN1反射至第三超声波换能器SEN3，自第二超声波换能器SEN2发射超声波至第三超声波换能器SEN3接收到超声波的时间为Ta；
第三超声波换能器SEN3以声速C发射超声波至第一超声波换能器SEN1并经第一超声波换能器SEN1反射至第二超声波换能器SEN2，自第三超声波换能器SEN3发射超声波至第二超声波换能器SEN2接收到超声波的时间为Tb；
则
Figure DEST_PATH_IMAGE016A
(1)
Figure DEST_PATH_IMAGE018A
(2)
其中L为第二超声波换能器SEN2至第一超声波换能器SEN1之间声道的距离，也为第三超声波换能器SEN3至第一超声波换能器SEN1之间声道的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE020A
为第二超声波换能器SEN2存在的延时，
Figure DEST_PATH_IMAGE022A
为第三超声波换能器SEN3存在的延时；
S2、采用相关法计算S1中超声波流量计的时间差值
Figure DEST_PATH_IMAGE006AAA
；
Figure DEST_PATH_IMAGE025A
(3)
相应超声波流量计的零飘时间
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAA
；
Figure DEST_PATH_IMAGE028A
(4)
S3、第二超声波换能器SEN2以声速C向第一超声波换能器SEN1发射超声波，自第二超声波换能器SEN2发射超声波至第一超声波换能器SEN1接收到超声波的时间为Tc；
第三超声波换能器SEN3以声速C向第一超声波换能器SEN1发射超声波，自第三超声波换能器SEN3发射超声波至第一超声波换能器SEN1接收到超声波的时间为Td；
则
Figure DEST_PATH_IMAGE031A
(5)
Figure DEST_PATH_IMAGE033A
(6)
S4、采用相关法计算S3中超声波流量计的时间差值
Figure DEST_PATH_IMAGE008AAA
；
Figure DEST_PATH_IMAGE036A
(7)
S5、根据公式(3)和公式(7)可知：
Figure DEST_PATH_IMAGE038A
(8)
由公式(8)可见，超声波流量计的零飘时间
Figure DEST_PATH_IMAGE012AAAA
在流道有流体通过的情况下也能够进行计算，无需在流量内流体流速为0的情况才能获取；
S6、利用时差法算出流体的流速V；
Figure DEST_PATH_IMAGE040A
(9)
公式(9)中在计算流体的流速V时，采用了零飘时间
Figure DEST_PATH_IMAGE012_5A
，使得计算出的流体的流速V更加准确，消除了超声波换能器本身零飘时间对流体的流速V精确计算的影响，并且也消除了零飘时间
Figure DEST_PATH_IMAGE012_6A
动态变化对流体的流速V精确计算的影响；
S7、根据气体流速V以及和流道的截面面积相应计算获取流道内的流量Q。
当流道内的流量比较大时，则零飘时间对最终获取的流量Q数据影响非常小，为了在大流量的情况下，对流量检测数据影响不大的情况下，减小超声波流量计的计算量以延长超声波流量计的工作寿命，可以在超声波流量计内设置时间阈值T，将Ta与T进行比较，如果Ta＜T，则将公式(9)简化为公式(10)，然后按照公式(10)计算流体的流速V；
Figure DEST_PATH_IMAGE042A
(10)
如果Ta≥T，则按照公式(9)计算流体的流速V。
该时间阈值T可以通过实验获取，即Ta＜T时，零飘时间使得最终获取的流量Q的计算误差小，而当Ta≥T使得最终获取的流量Q的计算误差小，计算误差可以根据需要具体设置。
本发明中的V形声道零飘消除方法，将三个超声波换能器呈V形分布设置，利用各超声波换能器之间的声道传播时间来实现流道内流速的计算，计算时，能够实现零飘时间数据的计算，如此进一步能够有效的剔除掉零飘时间以实现了流道内流速以及流量的准确计算，获取的流速以及流量数据更加准确，消除了零飘时间对计算准确性的影响，特别针对小流量也能够实现准确检测。而在进行零飘时间计算式，摆脱了流速为0情况下的测试限制，仅仅通过各超声波换能器之间的声道传播时间即可获取，计算更加方便。

Claims (3)

1.一种V形声道零飘消除方法，其特征在于：超声波流量计包括设置在在流道的壁面上的第一超声波换能器(SEN1)，以及在流道上相对于第一超声波换能器(SEN1)的壁面上沿流体流动方向间隔设置的第二超声波换能器(SEN2)和第三超声波换能器(SEN3)，其中第二超声波换能器(SEN2)、第一超声波换能器(SEN1)、第三超声波换能器(SEN3)沿流道的流向依次设置，且第二超声波换能器(SEN2)和第三超声波换能器(SEN3)相对于第一超声波换能器(SEN1)对称设置；
获取自第二超声波换能器(SEN2)发射超声波经第一超声波换能器(SEN1)反射至第三超声波换能器(SEN3)接收到超声波的时间Ta，获取自第三超声波换能器(SEN3)发射超声波经第一超声波换能器(SEN1)反射至第二超声波换能器(SEN2)接收到超声波的时间Tb，计算该过程中的时间差值△T＝Tb-Ta；
获取自第二超声波换能器(SEN2)发射超声波至第一超声波换能器(SEN1)接收超声波的时间Tc，获取自第三超声波换能器(SEN3)发射超声波至第一超声波换能器(SEN1)接收超声波的时间Td，计算该过程中的时间差值△T1＝Td-Tc；
根据△T和△T1计算超声波流量计的零飘时间△T0＝2△T1-△T，超声波流量计进行流道内的流体流速V计算时，剔除零飘时间△T0以计算获取准确的流道内的流体流速V，进而根据V和流道的截面面积相应计算获取流道内的流量；
第二超声波换能器(SEN2)至第一超声波换成器的之间的声道传播轴线相对于流道的流动轴线之间的夹角为θ，第三超声波换能器(SEN3)与第一超声波换成器之间的声道传播轴线相对于流道的流动轴线之间的夹角为θ；
超声波流量计在进行流量计算的过程中实现V形声道零飘消除方法包括以下步骤：
S1、第二超声波换能器(SEN2)以声速C发射超声波至第一超声波换能器(SEN1)并经第一超声波换能器(SEN1)反射至第三超声波换能器(SEN3)，自第二超声波换能器(SEN2)发射超声波至第三超声波换能器(SEN3)接收到超声波的时间为Ta；
第三超声波换能器(SEN3)以声速C发射超声波至第一超声波换能器(SEN1)并经第一超声波换能器(SEN1)反射至第二超声波换能器(SEN2)，自第三超声波换能器(SEN3)发射超声波至第二超声波换能器(SEN2)接收到超声波的时间为Tb；
则
Figure FDA0003313572710000011
Figure FDA0003313572710000021
其中L为第二超声波换能器(SEN2)至第一超声波换能器(SEN1)之间声道的距离，也为第三超声波换能器(SEN3)至第一超声波换能器(SEN1)之间声道的距离，τ1为第二超声波换能器(SEN2)存在的延时，τ2为第三超声波换能器(SEN3)存在的延时；
S2、采用相关法计算S1中超声波流量计的时间差值△T；
Figure FDA0003313572710000022
相应超声波流量计的零飘时间△T0；
△T0＝τ2-τ1 (4)
S3、第二超声波换能器(SEN2)以声速C向第一超声波换能器(SEN1)发射超声波，自第二超声波换能器(SEN2)发射超声波至第一超声波换能器(SEN1)接收到超声波的时间为Tc；
第三超声波换能器(SEN3)以声速C向第一超声波换能器(SEN1)发射超声波，自第三超声波换能器(SEN3)发射超声波至第一超声波换能器(SEN1)接收到超声波的时间为Td；
则
Figure FDA0003313572710000023
Figure FDA0003313572710000024
S4、采用相关法计算S3中超声波流量计的时间差值△T1；
Figure FDA0003313572710000025
S5、根据公式(3)和公式(7)可知：
△T0＝τ2-τ1＝2△T1-△T (8)
S6、利用时差法算出流体的流速V；
Figure FDA0003313572710000031
S7、根据气体流速V以及和流道的截面面积相应计算获取流道内的流量Q。
2.根据权利要求1所述的V形声道零飘消除方法，其特征在于：设置时间阈值T，将Ta与T进行比较，如果Ta＜T，则将公式(9)简化为公式(10)，然后按照公式(10)计算流体的流速V；
Figure FDA0003313572710000032
如果Ta≥T，则按照公式(9)计算流体的流速V。
3.根据权利要求1或2所述的V形声道零飘消除方法，其特征在于：θ＝60°。
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提升时差法超声流量计计量精度关键技术研究;罗永;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20140815;全文 *
高精度低功耗超声流量计关键技术的研发;段允;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》;20111115;全文 *

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