CN112362120A - 流量检测器及流量检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种流量检测器及流量检测方法，流量检测器，包括两个面阵子探头和控制模块，两个面阵子探头可以分别作为超声波的发射端和接收端；控制模块至少包括两个收发控制电路以及计算控制子模块；计算控制子模块通过一个收发控制电路控制对应的一个面阵子探头发射超声波信号；当另一个面阵子探头接收到超声波信号后，通过另一个收发控制电路将接收到超声波信号的信息反馈给计算控制子模块进行计算处理。本发明利用面阵探头上不同行的阵元分别检测流体的横截面中不同分层的流量信息以求平均值的方式得到被测流体的整体流量信息，这种检测结果更接近流体的真实情况，可以大大降低流量检测的误差。
Description
技术领域
本发明涉及流量检测领域，尤其涉及一种流量检测器及流量检测方法。
背景技术
流量检测主要用于管道运输的气体或液体进行测量，通过流量检测可实现气体或液体分配与调度的定量控制，对环境保护及安全运输具有重要意义。
目前流量检测所使用的流量计根据不同的工作原理可分为差压式流量计、转子流量计、节流式流量计、电磁流量计、超声波流量计等。其中，超声波流量计多采用时差法、频差法和多普勒法来测量管道内流体的流速流量的。流量计的探头一般是采用单阵元的压电换能器探头，通过单阵元换能器可以对特定超声轨迹进行检测，从而较为方便快捷地实现管道内的流量检测。但是，实践中发现这种检测方法误差较大，且需要反复测试，而且当管道内的流量未充满管道或者管道内有固体块状物流过时，也得不到准确的测量。
发明内容
本发明提供一种流量检测器及流量检测方法，用以解决上述技术问题，提高流量检测的精度。
本发明提供一种流量检测器，至少包括面阵探头以及与所述面阵探头电连接的控制模块，其中：
所述面阵探头至少包括第一面阵子探头和第二面阵子探头，所述第一面阵子探头和第二面阵子探头分别设置在管道的两侧，用于发射或接收超声波信号，其中，第一面阵子探头和第二面阵子探头均包括m行×n列个阵元，其中，所述m和n为正整数且均大于或等于2；
所述控制模块用于控制第一面阵子探头发射超声波信号以及控制第二面阵子探头接收超声波信号，或者控制第二面阵子探头发射超声波信号以及控制第一面阵子探头接收超声波信号；还用于根据发射的超声波信号和接收的超声波信号计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据所述顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息，并将被测流体的所有分层的流量信息的平均值确定为流量检测结果。
本发明还提供一种流量检测方法，包括：
控制第一面阵子探头发射超声波信号，及第二面阵子探头接收超声波信号，或者控制第二面阵子探头发射超声波信号，及第一面阵子探头接收超声波信号，其中，第一面阵子探头和第二面阵子探头均包括m行×n列个阵元，所述m和n为正整数且均大于或等于2；
根据发射的超声波信号与接收的超声波信号，计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据所述顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息，将被测流体的所有分层的流量信息的平均值确定为流量检测结果。
本发明技术方案采用面阵结构的超声探头进行流量检测，将面阵探头上的阵元按照行划分，不同行的阵元可对应检测流体的横截面中不同分层的流量信息。最终以求平均值的方式得到被测流体的整体流量信息。这种检测结果更贴近流体的真实情况，可以大大降低流量检测的误差。并且，可以利用面阵结构中的某一行、某一列或者某些特定阵元等多拟阵元信号拟合的方式，得到各种数据类型的检测结果，使得流量检测方式更加多元化，且可以筛除阵元中的无效信号，从而大大提高流量检测的检测精度，降低检测误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种流量检测器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种面阵探头的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种流量检测器的具体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种流量检测器在管道内安装位置示意图。
图5为本发明实施例提供的一种基于流量检测器的面阵探头的行阵元对管道横截面内的流体进行分层的原理示意图。
图6(a)为本发明实施例提供的一种流量检测器的面阵探头的总行数为奇数时，管道横截面内的流体分层处理的示意图。
图6(b)为本发明实施例提供的一种流量检测器的面阵探头的总行数为偶数时，管道横截面内的流体分层处理的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种流量检测方法的流程示意图。
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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
为使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
目前应用于流量检测的超声换能器探头多采用单阵元探头进行流量检测，但是发明人分析发现此种方案存在以下几种弊端：
一、利用单阵元探头只能针对特定的超声轨迹进行检测，而且需要进行反复测试因此，采用单阵元探头进行的流量检测精度较低而且效率不高。
二、当管道内的流体处于刚灌注时或者即将结束时，管道内的流体难以将管道完全充满，由于单阵元换能器的超声轨迹固定，当液面高于该超声轨迹时，可以正常接收信号。而当液面低于超声轨迹时，无法正常接收信号。此时，利用发射信号与接收信号两者之间的不通过可以判断流体液面所在的区域，但是难以检测出液面的具体高度。
三、单阵元换能器的数据采集方式是通过对特定轨迹进行反复检测，然后取其平均值，做进一步的数据处理计算。当管道内有固体流过时，会阻碍其超声传播，使得其接收不到信号或者接收到一个错误信号，单阵元换能器难以对这种错误信号进行筛除。
基于上述发现，本发明提出一种流量检测器及流量检测方法，将流量检测器中探头设计为面阵探头，并通过FPGA控制收发一体电路，为面阵探头中每一个阵元设置延时发射信号等，或者提取面阵中的某几个阵元发射信号来进行特定的测试，同时接收到的信号以行列为单位进行信号拟合，做进一步的数据处理计算，得到最终的检测结果，从而实现对管道内流体流速的精确测定。
图1是根据一示例性实施例示出的一种流量检测器的结构示意图。该流量检测器至少包括面阵探头100以及与面阵探头电连接的控制模块200，其中：面阵探头100至少包括第一面阵子探头110和第二面阵子探头120，第一面阵子探头110和第二面阵子探头120分别设置在管道的两侧，用于发射或接收超声波信号，其中，第一面阵子探头110和第二面阵子探头120均包括m行×n列个阵元，其中，m和n为正整数且均大于或等于2。控制模块200用于控制第一面阵子探头110发射超声波信号以及控制第二面阵子探头120接收超声波信号；或者控制第二面阵子探头120发射超声波信号以及控制第一面阵子探头110接收超声波信号；并根据发射的超声波信号和接收的超声波信号计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据所述顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息，并将被测流体的所有分层的流量信息的平均值确定为流量检测结果
具体应用中，控制模块200至少包括与第一面阵子探头110相连接的第一收发控制电路210，与第二面阵子探头120相连接的第二收发控制电路220，以及与第一收发控制电路210和第二收发控制电路220均连接的计算控制子模块230；第一收发控制电路210和第二收发控制电路220可以分开设置也可以合并设置为一个收发控制模块，设置成一个收发控制模块可以通过时序控制实现对第一面阵子探头和第二面阵子探头的发射信号或接收信号控制。当二者分开设置时，计算控制子模块230用于通过第一收发控制电路控制210对应的第一面阵子探头110发射超声波信号以及通过第二收发控制电路220控制对应的第二面阵子探头120接收超声波信号；或者通过第二收发控制电路220控制对应的第二面阵子探头120发射超声波信号以及通过第一收发控制电路210控制对应的第一面阵子探头110接收超声波信号；计算控制子模块230，还用于根据发射的超声波信号与接收的超声波信号，计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息，并将被测流体的所有分层的流量信息的平均值确定为流量检测结果。本实施例中，流量信息至少包括流体流速和/或流体在单位面积上通过的流体流量。
其中，本实施例中的面阵探头为m行×n列个阵元结构的传感器探头，传感器探头利用压电效应可以进行超声波与电信号之间进行转换。m和n的取值可以相同也可以不相同。以图2所示为示例，即为4行×4列结构的面阵探头。这种面阵探头采用了多阵元结构，因此，面阵探头的每一行阵元可以对应检测流体中的一个分层，即相当于面阵探头的行阵元对管道内的流体界面进行精确分层，针对不同分层分别对应有不同的超声波轨迹，从而计算得出流体中的每个分层的流量信息，再以求平均值的方式得到被测流体的整体流量信息，这种检测结果更贴近流体的真实情况，可以大大降低流量检测的误差。并且，不同的阵元可以分别对不同的超声轨迹进行检测，这样，可以丰富流量检测器的检测方式，进一步提高流量检测结果的可靠性。
另外，对于同一行内的阵元接收到的超声波信号可以采用图形化等处理方式，方便筛选出其中的有效信号，对有效信号进行拟合处理，从而确保信号接收与处理过程中的误差更小，流量检测的精度更高。
具体应用中，计算控制子模块230可以包括超声波发射控制电路、超声波接收控制电路以及计算芯片；超声波发射控制电路用于控制发射超声波信号，并将发射的超声波信号传输至计算芯片；超声波接收控制电路用于控制接收超声波信号，并将接收的超声波信号传输至计算芯片，进行模块划分以便于各个模块进行功能设计及明晰信号控制，具体设计中是否进行模块细分不发明不做具体限定。
图3是根据一示例性实施例示出的另一种流量检测器的结构示意图。如图3所示，该流量检测器包括第一面阵子探头、第一模数转换器(ADC)、第一收发控制电路、第二面阵子探头、第二模数转换器(ADC)、第二收发控制电路、计算芯片、第一FPGA开发板(即为上文描述的超声波发射控制电路)和第二FPGA开发板(即为上文描述的超声波接收控制电路)和直流电源。
其中，第一面阵子探头和第二面阵子探头均可以发射和接收超声波信号，并实现电信号与超声波信号之间的相互转换。例如，可以是第一面阵子探头作为超声波发射端时，第二面阵子探头即为超声波接收端，超声波信号由第一面阵子探头发射后经管内流体被第二面阵子探头接收；也可以是第二面阵子探头作为超声波发射端时，第一面阵子探头即为超声波接收端，超声波信号由第二面阵子探头发射后经管内流体被第一面阵子探头接收。
第一收发控制电路，在高压信号、数字输入信号以及数字控制信号的作用下为第一面阵子探头提供高压脉冲信号；以及在直流电压的作用下将第一面阵子探头检测到的电信号进行放大，使其更加直观；
第二收发控制电路，在高压信号、数字输入信号以及数字控制信号的作用下为第二面阵子探头提供高压脉冲信号；以及在直流电压的作用下将第二面阵子探头检测到的电信号进行放大，使其更加直观。
具体地，第一收发控制电路和第二收发控制电路均为针对面阵探头结构设计的前端电路，其主要包括高压驱动模块和增益可调放大模块。这样，可以方便在一块电路板上实现对面阵信号的接收与发射，在实现多阵元探测的基础上，简化控制电路的结构，使得流量检测器更加便携。
计算芯片，可以通过quartus、modelsim等软件进行硬件语言编程与仿真，控制第一FPGA开发板输出特定的电平信号，作为超声波发射端的面阵探头的驱动电路的数字控制、数字输入信号，控制超声波发射端的面阵探头发射超声波信号。并通过第二FPGA开发板接收的超声波接收端发送的数字信号，利用Matlab对数字信号进行图形化等处理，通过特定的算法区分筛选出超声波接收端的面阵子探头中面阵信号中的有效值、无效值，并将有效值信号做进一步信号拟合等处理与存储，以及将接收到的电平信号经过模数转换后进行编程处理，显示成数值，便于观察。其中，第一FPGA开发板以及第二FPGA开发板可以确保收发控制电路正常工作的同时，使得收发信号具有延时特性，方便后期对阵元数据的多元化处理。
以第一面阵子探头作为超声波发射端，第二面阵子探头作为超声波接收端为例进行说明。
在面阵探头处于发射超声波阶段时，第一FPGA开发板输出的数字控制和数字输入信号传输给第一收发控制电路。第一收发控制电路首先进行数模转换，并在其驱动电路(也可称为发射电路)对该控制和输入信号的驱动下，产生设定频率、设定占空比、设定脉冲个数以及延时可调的高压脉冲信号，该高压脉冲信号提供给第一面阵子探头，第一面阵子探头进行电信号-超声波信号的转换，并发射超声波信号。
在面阵处于接收超声波阶段时，第二收发控制电路将通过第二面阵子探头接收到的超声波信号转换成的电信号经增益可调放大器放大为幅值更高的电压信号，再经第二模数转换器(ADC)转变为数字信号。并通过第二FPGA2开发板将该数字信号输入至计算芯片，由计算芯片将数字信号处理为便于观察的数值信号。
直流电源通过分压的方式为第一和第二收发控制电路供电，以及为第一和第二模数转换器(ADC)供电，并通过分压的方式，使得第一和第二收发控制电路可以发出高压脉冲信号。
另外，上述流量检测器还可以包括固定装置，该固定装置主要用于将两个面阵子探头固定在管壁上。
下面详细说明上述流量检测器中面阵探头进行超声波信号的发射和接收过程中，结合收发控制电路，利用时间差法原理，计算处理得到流体流速及流量的过程。
假设第一面阵子探头发射超声波，第二面阵子探头接收超声波的测定顺流时间为t1。第二面阵子探头发射超声波，第一面阵子探头接收超声波的测定逆流时间为t2。将接收到的时间数据通过Matlab中的plot绘图(二维线行绘图)功能将时间散点绘制成线性图或者曲线图，可以进行多种类型绘图，从而实现系统数据分析处理的多元化功能。例如，以面阵结构为m×n的面阵子探头中的“行”为单位，绘制第j(0<j<m)行阵元的t1线性图，绘制第j行阵元的t2线性图，绘制第j行阵元的(t2-t1)线性图，并对第j行阵元的三类时间数据中的有效值取平均值。以面阵子探头中的“列”为单位，绘制第k(0<k<n)列阵元的t1线性图，绘制第k列阵元的t2线性图，绘制第k列阵元的(t2-t1)线性图，并对第k列阵元的三类时间数据中的有效值取平均值。将六组数据与期望值进行对比，筛选出有效值。具体地，可采用如下公式1计算出面阵子探头中不同行阵元对应的流体的中不同层的平均流速：
式中，Vaxial表示为流体中某一层的平均流速；L为超声轨迹长度(参见图4中的L)；t1为超声波在流体中该层的顺流传播时间；t2为超声波在流体中该层的逆流传播时间；α为超声波与管道纵向的角度(参见图4中的α)。
之后，可以将测得的各行阵元对应的各个层的平均流速在Matlab中进行信号拟合，并与期望值进行对比。由于超声波在水中的传播速度为1450m/s，在空气中的传播速度为346m/s，同时超声波在固体中的声速随固体的密度增大而增加，一般为2000m/s到6000m/s之间。因此，当管道内的流体处于刚灌注或者即将结束阶段，即管道内的流体未将管道充满时，又或者当管道内有固体流过时，流量检测器通过收发控制电路中的接收电路检测到的超声波轨迹处于空气中的阵元以及超声波轨迹经过固体的阵元其顺逆流时间、顺逆流时间差与期望值将会相差很大，同时利用该时间差经过数据处理得到的面阵结构中的某一个层的流体流速也将与其他层的流速相差很大，可以通过观察不同层之间的信号接收时间差以及经过数据处理得到的流体流速来判断管道内的流体水平面高度，或者管道内某一时刻流过流量检测器的液体中是否有固体杂质。可见，与传统的单阵元探头进行的流量检测的方案相比，本发明提出的采用面阵探头进行流量检测的方案，可以对各种不同超声轨迹进行检测，并通过多个阵元信号拟合的方式得到最终的检测结果，从而提高了流量检测的精度。
计算出流体中不同层的平均流速后，可以按照如下公式2计算流体流量：
式中，Q表示为单位时间内的流体流量；S表示为管道的横截面面积。如上文所描述的，本申请中的Vaxial表示为流体中某一层的平均流速，而针对同一截面内的不同的层可能会有不同的液体流速。因此，可以根据面阵探头的阵元总行数对截面进行分层(如图5所示)。此时，可以采用如下公式3的积分方式计算得到流体总流量：
式中，V(r)表示为流体中某一层r的平均流速，V(r)可采用公式1对该层的n个阵元进行计算后，再进行平均值计算而得到；R表示为管道半径；r表示为流体中某一层与管道中心的垂直距离(参见图5中标识r)；dr表示为层高度(参见图5中标识dr)。
具体地，当面阵探头中阵元的总行数m为奇数或偶数时，流量计算略有不同。本实施例中，当m为奇数时，采用如下公式4进行流量计算：
上述公式4中，等式的第一项为面阵探头自上而下的第1层阵元对应检测到的流体中第一层的瞬时流量；第二项为面阵探头自上而下的第2层阵元对应检测到的流体中第二层的瞬时流量；第三项为面阵探头自上而下的第(m-1)/2层阵元对应检测到的流体中第(m-1)/2层的瞬时流量的瞬时流量，即图6(a)中x轴上方距离最近一层的瞬时流量；第四项为面阵探头自上而下的第(m+1)/2层阵元对应检测到的流体中第(m+1)/2层的瞬时流量，即图6(a)的中间层的瞬时流量；第五项为面阵探头自上而下的第(m+3)/2层阵元对应检测到的流体中第(m+3)/2层的瞬时流量，即图6(a)中x轴下方距离最近一层的瞬时流量；第六项为面阵探头自上而下的第(m-1)层阵元对应检测到的流体中第(m-1)层的瞬时流；第七项为面阵探头自上而下的第m层阵元对应检测到的流体中第m层的瞬时流量。
当m为偶数数时，采用如下公式5进行流量计算：
上述公式5中，等式的第一项为面阵探头自上而下的第1层阵元对应检测到的流体中第一层的瞬时流量；第二项为面阵探头自上而下的第2层阵元对应检测到的流体中第二层的瞬时流量；第三项为面阵探头自上而下的第m/2层阵元对应检测到的流体中第m/2的瞬时流量，即图6(b)中x轴上方距离最近一层的瞬时流量；第四项为面阵探头自上而下第(m+2)/2层阵元对应检测到的流体中第(m+2)/2层的瞬时流量，即图6(b)中x轴下方距离最近一层的瞬时流量；第五项为面阵探头自上而下第(m-1)层阵元对应检测到的流体中第(m-1)层的瞬时流量；第六项为面阵探头自上而下第m层阵元对应检测到的流体中第m层的瞬时流量。
由上述描述可知，本实施例对面阵探头中不同行阵元发射和接收的超声轨迹的分别进行检测，可以计算处理得到流体中不同层的流速值和流体流量。这样，可以对流体的所有分层的流速进行平均值计算，将流体平均流速作为最终检测出的流体流速，可以将不同分层的流体流量的总和作为最终检测出的流体流量。这种检测结果与单阵元探头进行流量检测的结果相比，更加贴近管道内流体的实际情况，检测精度更高。另外，由于本发明的流量检测器采用了面阵探头，而基于面阵探头的面阵结构，可以实现多个超声轨迹上的超声波信号收发测试。因此，当某一阵元的信号出现较大误差时，可以通过面阵结构上其他阵元的接收信号、顺逆流时间、顺逆流时间差以及通过计算得到的流体流速进行信号拟合，从而判断出哪些阵元的信号为无效信号，剔除这些无效信号即可。例如，面阵探头的某一行阵元中某个阵元i对应的时间数据，与该行阵元中的其他阵元对应的时间数据存在很大误差，则可以认为该阵元i采集的信息为无效信息。此时，这一行阵元中除阵元i以外的其它阵元采集的信息均为有效信息。在后续计算过程中，去除该阵元i采集的信息，仅对所有的有效信息进行拟合处理即可。这种方式，与单阵元探头进行流量检测的方案相比，可以筛除阵元中的无效信号，提高流量检测的检测精度，降低检测误差。
图7是根据一示例性实施例示出的另一种流量检测方法的流程示意图。该方法可应用于上述实施例公开的流量检测器中。如图7所示，该方法包括如下操作步骤：
步骤S701，控制第一面阵子探头发射超声波信号，并通过第二面阵子探头接收超声波信号，或者控制第二面阵子探头发射超声波信号，并通过第一面阵子探头接收超声波信号；其中，第一面阵子探头和第二面阵子探头均包括m行×n列个阵元，m和n均为正整数且均大于或等于2。
本实施例中，控制第一面阵子探头或第二面阵子探头发射超声波信号的具体过程可参照如下操作：
输入数字输入信号和数字控制信号，并根据数字输入信号和数字控制信号生成高压驱动信号，使用高压驱动信号驱动第一面阵子探头或第二面阵子探头发射超声波信号。具体地，高压驱动信号可以是延时可调的高压脉冲信号，其中，根据数字控制信号可以确定高压驱动信号的信号频率、脉冲占空比以及脉冲个数中的任一种或几种信息。
通过第二面阵子探头或第一面阵子探头接收超声波信号的具体过程可参照如下操作：
将第二面阵子探头或第一面阵子探头接收的超声波信号放大设定倍数后，转换为数字信号即可。
步骤S702，根据发射的超声波信号与接收的超声波信号，计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息，将被测流体的所有分层的流量信息的平均值确定为流量检测结果。可见，本发明基于面阵探头的多阵元结构，将管道内的流体截面划分为了多个分层，针对每个分层有一行阵元探头进行流量检测，这样，可以准确地计算出流体截面上不同分层的流量检测结果。最后由流体截面上所有分层的流量检测结果的平均值作为最终的检测结果，可以大大降低检测误差，提高检测结果的可靠性。
具体地，根据第一面阵子探头或第二面阵子探头各个阵元发射的超声波信号，与第二面阵子探头或第一面阵子探头各个阵元接收的超声波信号的信息，计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差时，可以从接收的超声波信号的信息中筛选出有效信号，根据发射的超声波信号以及有效信号计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息。这种方式与传统的单阵元检测方案相比，预先筛选出了有效信号，剔除了无效信号，即最终的检测结果是基于有效信号计算得出的，从而进一步提高了检测结果的准确性。
在上述流量检测方法的基础上，本实施例提供的流量检测方法，可以进一步提高流量检测的精度，该方法包括第一面阵子探头发射超声波信号，第二面阵子探头接收超声波信号的阶段(可简称为前半周期)，以及第二面阵子探头发射超声波信号，第一面阵子探头接收超声波信号的阶段(可简称为后半周期)。
其中，前半周期包括如下操作：
控制模块中的计算芯片进行硬件语言编程，控制第一FPGA2开发板发出指定的数字信号，该数字信号作为第一收发控制电路中的驱动电路的输入信号以及控制信号，驱动电路在输入信号、控制信号以及直流电源供电情况下，输出指定频率、指定占空比、指定脉冲个数以及延时可调的高压脉冲信号。该高压脉冲信号可作为第一面阵子探头的驱动信号，驱动第一面阵子探头将电信号转换为超声波信号，并发射该超声波信号。
此超声波信号经管道内流体后被第二面阵子探头接收，第二面阵子探头内将超声波信号转换为电信号，并将此电信号传输至第二收发控制电路，经过第二收发控制电路中的增益可调放大器后变成更加直观的电压信号，再经过第二收发控制电路中的模数转换器(ADC)转换为数字信号，后经超声波接收控制电路输入至计算芯片。
制模块中的计算芯片保存接收到的数字信号，然后在Matlab中对数字信号进行处理、成像等操作，并将Matlab中提取的有效信号的平均值转变成相应的数值进行显示，便于用户直观观察。其中，对数字信号进行处理、成像等的具体操作可参见上述实施例的相应内容，在此不再赘述。
后半周期包括如下操作：
在经过前半周期的操作后，可以通过设置一个延时，使得前半周期与后半周的信号互不干扰。之后，控制模块中的计算芯片通过硬件语言控制第二FPGA2开发板输出指定的电平信号来控制第二收发控制电路驱动第二面阵子探头发射超声波信号。其中，第二收发控制电路驱动第二面阵子探头的过程，与前半周期中第一收发控制电路驱动第一面阵子探头的过程相同，在此不再赘述。
此超声波信号经管道内流体后被第一面阵子探头接收。第一面阵子探头内将超声波信号转换为电信号，并将此电信号传输至第一收发控制电路。再由第一收发控制电路进行处理后反馈给计算芯片进行相应处理。此过程与前半周期中第二收发控制电路向计算芯片反馈数字信号以及计算芯片进行相应处理的过程相同，在此不再赘述。
最后，通过对前半周期以及后半周期得到的数据进行存储和处理，可以结合前述各实施例中涉及的流体流速及流量的计算公式计算得到最终的流量检测结果。另外，还可以通过不同的信号处理方式也可以得到管道内流体的水平面高度、管道内流体各部位流速快慢等多种数据类型。
本实施例，在不同的阶段将不同的面阵子探头作为超声波发射端和接收端，然后将各个阶段得到的检测结果进行平均值计算，并将平均值作为最终的检测结果。这样，可以避免某一面阵子探头固定为超声波发射端或接收端时，由面阵探头本身的性能造成的检测误差，从而进一步提高流量检测的精度。
最后应说明的是：以上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。
Claims (10)
1.一种流量检测器，其特征在于，至少包括面阵探头以及与所述面阵探头电连接的控制模块，其中：
所述面阵探头至少包括第一面阵子探头和第二面阵子探头，所述第一面阵子探头和第二面阵子探头分别设置在管道的两侧，用于发射或接收超声波信号，其中，第一面阵子探头和第二面阵子探头均包括m行×n列个阵元，其中，所述m和n为正整数且均大于或等于2；
所述控制模块用于控制第一面阵子探头发射超声波信号以及控制第二面阵子探头接收超声波信号，或者控制第二面阵子探头发射超声波信号以及控制第一面阵子探头接收超声波信号；还用于根据发射的超声波信号和接收的超声波信号计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据所述顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息，并将被测流体的所有分层的流量信息的平均值确定为流量检测结果。
2.根据权利要求1所述的流量检测器，其特征在于，所述控制模块至少包括计算控制子模块和与第一面阵子探头和第二面阵探头分别连接的收发控制电路；
所述计算控制子模块至少包括超声波发射控制电路、超声波接收控制电路以及计算芯片；
所述超声波发射控制电路，用于通过收发控制电路控制面阵探头发射超声波信号，并将发射的超声波信号传输至所述计算芯片；
所述超声波接收控制电路，用于通过收发控制电路控制面阵探头接收超声波信号，并将接收的超声波信号传输至所述计算芯片。
3.根据权利要求2所述的流量检测器，其特征在于，所述收发控制电路包括高压驱动模块和增益可调放大模块；
所述高压驱动模块，用于接收所述超声波发射控制电路发送的输入信号和控制信号，并根据所述输入信号和控制信号生成高压驱动信号，将所述高压驱动信号发送给所述第一面阵子探头或第二面阵子探头；
所述增益可调放大模块，用于将所述第一面阵子探头或第二面阵子探头接收的超声波信号放大倍数后，转换为数字信号发送给述超声波接收控制电路。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的流量检测器，其特征在于，
所述控制模块，还用于从第二面阵子探头或第一面阵子探头各个阵元接收的超声波信号中筛选出有效信号，根据所述有效信号计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据所述顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息。
5.一种流量检测方法，其特征在于，所述方法包括：
控制第一面阵子探头发射超声波信号，及第二面阵子探头接收超声波信号，或者控制第二面阵子探头发射超声波信号，及第一面阵子探头接收超声波信号，其中，第一面阵子探头和第二面阵子探头均包括m行×n列个阵元，所述m和n为正整数且均大于或等于2；
根据发射的超声波信号与接收的超声波信号，计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据所述顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息，将被测流体的所有分层的流量信息的平均值确定为流量检测结果。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述流量信息至少包括流体流速和/或流体在单位面积上通过的流体流量。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，控制第一面阵子探头或第二面阵子探头发射超声波信号，包括：
输入数字输入信号和数字控制信号，并根据所述数字输入信号和数字控制信号生成高压驱动信号，使用所述高压驱动信号驱动所述第一面阵子探头或第二面阵子探头发射超声波信号。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
所述高压驱动信号为延时可调的高压脉冲信号，其中，根据所述数字控制信号确定所述高压驱动信号的如下任一种或多种信息：
信号频率、脉冲占空比以及脉冲个数。
9.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，控制第二面阵子探头或第一面阵子探头接收超声波信号，包括：
将第二面阵子探头或第一面阵子探头接收的超声波信号放大设定倍数后，转换为数字信号。
10.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述根据发射的超声波信号与接收的超声波信号，计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，包括：
从接收的超声波信号中筛选出有效信号，根据所述发射的超声波信号以及所述有效信号计算被测流体的不同分层的顺逆流时间差，并根据所述顺逆流时间差计算处理得到被测流体的不同分层的流量信息。
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