CN112393787B - 一种基于相对位移的超声时间溯源方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相对位移的超声时间溯源方法，属于流量计量领域。主要以标准长度作为参考值，实现超声流量校准中时间量溯源。所述时间量包含传播时间和时间差。将超声流量校准过程中时间量的范围，换算成在静水中传播的声道长度范围，在该长度范围内，由位移实验装置带动改变超声波传播的声道长度，并将标准长度装置的测量值作为参考值换算成标准时间量，通过对比测量值和标准值实现时间量的溯源。本发明适用于流量计量领域，可作为管道流量校准能力保障。

Description

一种基于相对位移的超声时间溯源方法

技术领域

本发明属于流量计量领域，针对超声流量测量、校准中的时间量值，以标准长度为参考值，提供一种基于相对位移的时间溯源方法。

背景技术

管道流量计广泛应用于引水调水、城市供水供热、化工等工业领域，其测量的准确性对结算有着重要意义。流量计的准确性需要通过校准来保障。超声测流装置具有安装方便、测量准确度高等优势，是现场流量校准中常用的方法。

超声测流是通过各声道高度上相对的超声探头所获流速的合理积分，获得流量的一种测量方法。这种测量方法具有作为标准，为现场流量测量装置提供校准的能力。其误差来源主要包括超声传感器安装和测量的几何量(流量声道长度、流量声道角度)精度，时间量(传播时间、时间差)测量的准确度，以及积分模型的准确度。其中，流速是由几何量和时间量共同合成的。传播时间指的是超声波在水中传播所需要的时间，是通过超声探头记录波形，并根据优选合适的波形算法获得的，常用的算法有阈值法、波形法、包络法，以及相位法等。时间差指的是上下游传播时间的差，也可以通过互相关算法对上下游的超声波形直接进行求解。流量Q的计算公式如式(1)所示。其中，v_i为每个声道的平均流速，ω_i为每个声道的权重系数，R为管道半径，L_i为每个声道的长度，

为每个声道的角度，t_u,d和t_d,u分别代表上下游探头测量的传播时间，Δt_i为每个声道的时间差。

本发明的设计思想是，在静水条件下，通过可以调节并准确测量长度的位移实验平台，以精密长度测量装置的测量值作为参考值，在静水中测量，模拟超声测流时的传播时间和时间差，实现从测量时间到长度的溯源过程。

发明内容

本发明所要解决的问题是，超声管道流量校准中的时间量值溯源。采用超声法校准流量时，不需要将被检流量计拆下，只需在现场管道中留有探头安装位置，流量的标准值取决于探头安装的几何参数、积分模型和时间量(包括传播时间和时间差)的测量，是具有分别溯源能力的。目前还缺乏有效的时间量溯源方法，本发明所提及的方法将有助于补充溯源链条的完整性。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于位移装置的超声时间溯源方法，所述溯源方法是通过能够调节位移的装置改变超声波的传播距离，以标准长度作为参考值，对超声法流量校准中的时间量进行溯源，所述时间量为传播时间或时间差，过程如图1所示，具体的：

对传播时间的溯源包括以下步骤：

第一步，记录流量校准中传播时间覆盖的范围，确定校准时选用的波形采样频率和时间算法，将校准时超声流量校准装置中使用的一个超声探头7带回实验室。

第二步，将第一步取回的超声探头7装配于可在水中调节长度的溯源实验平台上。

1)所述溯源实验平台具体结构如下：所述的可调节声道长度的溯源实验平台主要由位移实验平台、长度标准装置、声反射面5、水容器6、超声测量仪8、声速测量装置9构成。

所述声反射面5和超声探头7平行正对，两者之间的间距为声道，间距长度为声道长度l。所述声反射面5与超声探头7均浸入水容器6中；所述水容器6置于水平底面上，并位于位移平台4下方；声反射面5与超声探头7一方需固定，另一方由位移平台4带动，可沿声道方向做直线运动。其中，超声探头7发射的超声波沿声道方向传播，经声反射面5反射后沿原路返回，并被超声探头7接收，发射时间与通过时间算法获得超声波到达探头的时间的差值，即为被测的传播时间T₁。

所述位移实验平台包括直导轨2和位移平台4，竖直导轨2方向与声道方向平行，位移平台4能够沿直导轨2移动，进而改变声道长度l(即声道长度l可以由位移平台4的带动而改变)。

所述长度标准装置包括下方激光干涉仪10和与激光干涉仪10配套的反射棱镜3，用于测量位移平台4与超声探头7之间的相对标准长度l_标。其中，反射棱镜3与位移平台4连接，并可随着位移平台4移动，激光干涉仪10固定不动，并且激光干涉仪10与反射棱镜3之间的光路与声道方向平行。

所述声速测量装置9位于水容器6中，且置于声道附近，用于测量声道附近的声速c。

2)超声探头7与超声测量仪8连接，采用第一步确定的现场校准时的采样频率记录超声波，并采用第一步确定的现场校准中使用的算法计算传播时间T₁。

所述声道长度l与被测传播时间T₁之间的关系可以表征为：

T₁＝2l/c (2)

所述相对标准长度l_标与声道长度l相差固定的系统偏差l₀，l＝l_标+l₀。

第三步，测量超声波在声道方向上的传播时间T₁。

1)系统偏差标定：在位移平台4处于静止状态时，标定系统偏差l₀。在静止条件下进行一段时间的测量，记录传播时间、声速和相对标准长度，系统偏差l₀为：

l₀＝T_1静c_静/2-l_标静 (3)

其中，T_1静为静止状态下传播时间的测量值、c_静为静止状态下声速的测量值，l_标静为静止状态下相对标准长度的测量值。

2)测量范围换算：根据第一步中记录的传播时间覆盖的范围，结合静止状态下的声速c_静和式(2)，得到与传播时间范围对应的声道长度l的范围。

3)位移测量实验：通过位移实验平台调整声道长度l，并测量实时的传播时间T₁和声速c。具体的：在第三步1)中所述声道的长度范围内，位移平台4自轨道一端到另一端进行往复实验，至少重复3次。通过长度标准装置记录实验过程中实时的相对标准长度l_标，由超声测量仪8记录实验过程中实时的传播时间T₁，由声速测量装置9记录实验过程中实时的声速c。

第四步，根据声道长度l的测量值，计算标准传播时间T_1标，进而完成传播时间的溯源。

1)通过实时的相对标准长度l_标与固定的系统偏差l₀相加得到实时的声道长度l。

2)通过实时的声道长度l和实时的声速c，根据式(2)可以得到标准的传播时间T_1标。

3)溯源结果dT₁为实时的传播时间T₁与标准的传播时间T_1标的差：

dT₁＝T₁-T_1标 (4)

依照第二步到第四的过程，将超声流量校准装置中的超声探头7的传播时间，依次进行溯源。

对时间差的溯源包括以下步骤：

第一步，记录流量校准中时间差覆盖的范围，确定校准时选用的波形采样频率和时间算法，将校准时超声流量校准装置中使用的一个超声探头7带回实验室。

第二步，将第一步取回的超声探头7装配于可在水中调节长度的溯源实验平台上。

1)所述溯源实验平台结构与对传播时间溯源过程中使用的实验平台相同。此处，超声探头7发射的超声波沿声道，在超声探头7和声反射面5之间往复多次反射，通过时间算法获得反射超声波第1次被超声探头7接收和第2次被超声探头7接收的到达时间的差，即为时间差T₂。

2)超声探头7与超声测量仪8连接，采用第一步确定的现场校准时的采样频率记录超声波，并采用第一步确定的现场校准中使用的算法计算传时间差T₂。

所述声道长度l与被测时间差T₂之间的关系可以表征为：

T₂＝2l/c (5)

所述相对标准长度l_标与声道长度l相差固定的系统偏差l₀，l＝l_标+l₀。

第三步，测量超声波在声道方向上的时间差T₂。

1)系统偏差标定：在位移平台4处于静止状态时，标定系统偏差l₀。在静止条件下进行一段时间的测量，记录时间差、声速和相对标准长度，系统偏差l₀为：

l₀＝T_2静c_静/2-l_标静 (6)

其中，T_2静为静止状态下时间差的测量值、c_静为静止状态下声速的测量值，l_标静为静止状态下相对标准长度的测量值。

2)测量范围换算：根据第一步中记录的时间差覆盖的范围，结合静止状态下的声速c_静和式(5)，得到与时间差范围对应的声道长度l的范围。

3)位移测量实验：通过位移实验平台调整声道长度l，并测量实时的时间差T₂和声速c。具体的：在第三步1)中所述声道的长度范围内，位移平台4自轨道一端到另一端进行往复实验，至少重复3次。通过长度标准装置记录实验过程中实时的相对标准长度l_标，由超声测量仪8记录实验过程中实时的时间差T₂，由声速测量装置9记录实验过程中实时的声速c。

第四步，根据声道长度l的测量值，计算标准时间差T_2标，进而完成时间差的溯源。

1)通过实时的相对标准长度l_标与固定的系统偏差l₀相加得到实时的声道长度l。

2)通过实时的声道长度l和实时的声速c，根据式(5)可以得到标准的传播时间T_2标。

3)溯源结果dT₂为实时的传播时间T₂与标准的传播时间T_2标的差：

dT₂＝T₂-T_2标 (7)

依照第二步到第四的过程，将超声流量校准装置中的超声探头7的传播时间，依次进行溯源。

本发明有益效果如下：

(1)补全了超声流量校准装置中，超声时间量部分的溯源链。

(2)采用位移平台在静水中测量，波形更为稳定，溯源结果更为精准。

(3)在静水中通过长度对时间量溯源的方法，操作便捷，并且耗时短。

(4)通过优选长度标准，较容易得到高测量精度，溯源能力强。

附图说明

图1为时间溯源的流程框图；

图2为溯源实验平台示意；

图3为时间差的溯源结果；

图4为传播时间的溯源结果。

图2中：1电机；2竖直导轨；3反射棱镜；4位移平台；5声反射面；6水容器；7超声探头；8超声测量仪；9声速测量装置；10激光干涉仪。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

以流量校准装置中一个超声探头7为例，分别采用2个实施实例，对本发明所述时间量中的传播时间和时间差的溯源方法进行说明。波形采样频率为32MHz，传播时间的计算方法为Hilbert法，时间差采用互相关法。校准时的水温为20℃。

首先搭建可调节声道长度的溯源实验平台，如图2所示，包括位移实验平台、长度标准装置、声反射面5、水容器6、超声测量仪8、声速测量装置9。所述反射面5和超声探头7平行正对，两者之间的间距为声道，间距长度为声道长度l，声道方向为竖直方向。所述声反射面5与超声探头7均浸入水容器6中，水容器6置于水平底面上，其中，超声探头7面向上固定于水容器底部，声反射面5面向下，由位移平台4带动沿声道方向做直线运动。所述位移实验平台包括电机1、直导轨2和位移平台4，直导轨2方向与声道方向平行，位移平台4通过电机的带动沿竖直导轨2移动，进而改变声道长度l。所述长度标准装置包括下方激光干涉仪10和与激光干涉仪10配套的反射棱镜3，用于测量位移平台4与超声探头7之间的相对标准长度l_标；反射棱镜3通过连接件固定于位移平台上，能够随位移平台4移动，激光干涉仪10固定在反射棱镜3正下方，激光干涉仪10的光路与声道方向平行。所述声速测量装置9位于水容器6中，且置于声道附近，用于测量声道附近的声速c。

所述超声测量仪8与超声探头7连接，采集波形数据，并通过时间算法计算传播时间和时间差。实施过程将流量校准装置的一个超声探头7，按照如图2所示放置于水容器中，进行配置。位移实验平台通过电机1带动，沿竖直导轨2方向拖动，提供最小1μm的位移，可移动范围为1m。声反射面5与位移平台4连接，水容器6固定于位移平台4下方。超声探头7向上固定在水容器6底部，超声探头7与声反射面5平行，中心连线与导轨方向平行。水中的声速测量装置通过标定，可提供优于0.01％的准确度。长度标准装置包括激光干涉仪10和反射棱镜3，仪器主体固定在位移平台下端，反射棱镜固定于位移平台，长度测量偏差为±0.5×10^-6。

直接采用校准时所用的超声测量仪8测量传播时间和时间差，保证激励频率和所采用的算法与校准时相同。在静水条件中测量20s，得到系统偏差l₀为-233.143mm。测量时，位移平台自上至下以1mm/s的速度运动，每20μm停止并等待20s，作为1个测量点。每个测量点重复3次，记录位移增量、时间差、传播时间和声速。根据式(4)得到传播时间的溯源结果，根据式(7)得到时间差的溯源结果。

实施实例1：时间差的校准范围为121.438μs～121.528μs。

根据本专利所述方法，修正系统偏差l₀后，得到时间的测量误差曲线，时间差误差范围-0.79ns～0.46ns，溯源结果如图3所示。具体步骤如下：

首先，在位移平台4处于静止状态时，标定系统偏差l₀。在静止条件下，记录平均时间差、平均声速和平均相对标准长度，系统偏差l₀为：

l₀＝T_2静c_静/2-l_标静 (6)

其中，T_静为静止状态下传播时间的测量值，具体值为133395.05ns；c_静为静止状态下声速的测量值，具体值为1499.36m/s；l_标静为静止状态下相对标准长度的测量值，具体值为333.147mm。

其次，测量范围换算：根据第一步中记录的传播时间覆盖的范围，结合静止状态下的声速c_静和式(5)，得到与时间差范围对应的声道长度l的范围，具体为91.06mm～91.16mm。

再次，位移测量实验：通过位移实验平台调整声道长度l，并测量实时的时间差T₂和声速c。具体的：在第三步1)中所述声道的长度范围内，位移平台4沿轨道自上到下进行往复实验，重复3次。通过长度标准装置记录实验过程中实时的相对标准长度l_标，由超声测量仪8记录实验过程中实时的时间差T₂，由声速测量装置9记录实验过程中实时的声速c。

最后，根据声道长度l测量值，计算标准时间差T_2标，完成时间差的溯源。

1)通过实时的相对标准长度l_标与固定的系统偏差l₀相加得到实时的声道长度l。

2)通过实时的声道长度l和实时的声速c，根据式(5)可以得到标准的传播时间T_2标。

3)溯源结果dT₂为实时的时间差T₂与标准的时间差T_2标的差：

dT₂＝T₂-T_2标 (7)

实施实例2：传播时间和时间差的范围为80.959μs～81.019μs。

根据本专利所述方法，修正系统偏差l₀后，时间的测量误差曲线，传播时间误差范围为0.82ns～1.42ns，溯源结果如图4所示。

首先，在位移平台4处于静止状态时，标定系统偏差l₀。在静止条件下，记录平均传播时间、平均声速和平均相对标准长度，系统偏差l₀为：

l₀＝T_1静c_静/2-l_标静 (3)

其中，T_1静为静止状态下传播时间的测量值，具体值为133395.05ns；c_静为静止状态下声速的测量值，具体值为1499.36m/s；l_标静为静止状态下相对标准长度的测量值，具体值为333.147mm。

其次，测量范围换算：根据第一步中记录的传播时间覆盖的范围，结合静止状态下的声速c_静和式(5)，得到与时间差范围对应的声道长度l的范围，具体为60.70mm～60.80mm。

再次，位移测量实验：通过位移实验平台调整声道长度l，并测量实时的传播时间T₁和声速c。具体的：在第三步1)中所述声道的长度范围内，位移平台4沿轨道自上到下进行往复实验，重复3次。通过长度标准装置记录实验过程中实时的相对标准长度l_标，由超声测量仪8记录实验过程中实时的传播时间T₁，由声速测量装置9记录实验过程中实时的声速c。

最后，根据声道长度l测量值，计算标准传播时间T_1标，完成传播时间的溯源。

4)通过实时的相对标准长度l_标与固定的系统偏差l₀相加得到实时的声道长度l。

5)通过实时的声道长度l和实时的声速c，根据式(5)可以得到标准的时间差T_1标。

6)溯源结果dT₁为实时的传播时间T₁与标准的传播时间T_1标的差：

dT₂＝T₂-T_2标 (4)

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于位移装置的超声时间溯源方法，其特征在于，所述溯源方法是通过能够调节位移的装置改变超声波的传播距离，以标准长度作为参考值，对超声法流量校准中的时间量进行溯源，所述时间量为传播时间，具体包括以下步骤：

第一步，记录流量校准中传播时间覆盖的范围，确定校准时选用的波形采样频率和时间算法，将校准时超声流量校准装置中使用的一个超声探头(7)带回；

第二步，将第一步取回的超声探头(7)装配于可在水中调节长度的溯源实验平台上；

1)所述的可在水中调节长度的溯源实验平台主要由位移实验平台、长度标准装置、声反射面(5)、水容器(6)、超声测量仪(8)、声速测量装置(9)构成，具体结构如下：

所述声反射面(5)和超声探头(7)平行正对，两者间距长度为声道长度l；声反射面(5)与超声探头(7)均浸入水容器(6)中；水容器(6)位于位移平台(4)下方；声反射面(5)与超声探头(7)一方固定，另一方由位移平台(4)带动可沿声道方向做直线运动；其中，超声探头(7)发射的超声波沿声道方向传播，经声反射面(5)反射后沿原路返回，并被超声探头(7)接收，发射时间与通过时间算法获得超声波到达探头的时间的差值，即为被测的传播时间T₁；

所述位移实验平台包括直导轨(2)和位移平台(4)，竖直导轨(2)方向与声道方向平行，位移平台(4)能够沿直导轨(2)移动；

所述长度标准装置包括下方激光干涉仪(10)和与激光干涉仪(10)配套的反射棱镜(3)，二者之间的光路与声道方向平行，长度标准装置用于测量位移平台(4)与超声探头(7)之间的相对标准长度l_标；其中，反射棱镜(3)与位移平台(4)连接，并可随着位移平台(4)移动，激光干涉仪(10)固定不动；

所述声速测量装置(9)位于水容器(6)中置于声道附近，用于测量声速c；

2)超声探头(7)与超声测量仪(8)连接，采用第一步确定的现场校准时的采样频率记录超声波，并采用第一步确定的现场校准中使用的算法计算传播时间T₁；

所述声道长度l与被测传播时间T₁之间的关系可以表征为：

T₁＝2l/c (2)

所述相对标准长度l_标与声道长度l相差固定的系统偏差l₀，l＝l_标+l₀；

第三步，测量超声波在声道方向上的传播时间T₁；

1)系统偏差标定：在位移平台(4)处于静止状态时，标定系统偏差l₀；在静止条件下进行测量，记录传播时间、声速和相对标准长度，系统偏差l₀为：

l₀＝T_1静c_静/2-l_标静 (3)

其中，T_1静为静止状态下传播时间的测量值、c_静为静止状态下声速的测量值，l_标静为静止状态下相对标准长度的测量值；

2)测量范围换算：根据第一步中记录的传播时间覆盖的范围，结合静止状态下的声速c_静和式(2)，得到与传播时间范围对应的声道长度l的范围；

3)位移测量实验：通过位移实验平台调整声道长度l，并测量实时的传播时间T₁和声速c；具体的：在第三步1)中所述声道的长度范围内，位移平台(4)自轨道一端到另一端进行往复实验；通过长度标准装置记录实验过程中实时的相对标准长度l_标，由超声测量仪(8)记录实验过程中实时的传播时间T₁，由声速测量装置(9)记录实验过程中实时的声速c；

第四步，根据声道长度l的测量值，计算标准传播时间T_1标，进而完成传播时间的溯源；

1)通过实时的相对标准长度l_标与固定的系统偏差l₀相加得到实时的声道长度l；

2)通过实时的声道长度l和实时的声速c，根据式(2)得到标准的传播时间T_1标；

3)溯源结果dT₁为实时的传播时间T₁与标准的传播时间T_1标的差：

dT₁＝T₁-T_1标 (4)

依照第二步到第四的过程，将超声流量校准装置中的超声探头(7)的传播时间，依次进行溯源。

2.一种基于位移装置的超声时间溯源方法，其特征在于，所述溯源方法是通过能够调节位移的装置改变超声波的传播距离，以标准长度作为参考值，对超声法流量校准中的时间量进行溯源，所述时间量为时间差，具体包括以下步骤：

第一步，记录流量校准中时间差覆盖的范围，确定校准时选用的波形采样频率和时间算法，将校准时超声流量校准装置中使用的一个超声探头(7)带回；

第二步，将第一步取回的超声探头(7)装配于可在水中调节长度的溯源实验平台上；

1)所述溯源实验平台结构与权利要求1中所述的可在水中调节长度的溯源实验平台相同；此处，超声探头(7)发射的超声波沿声道，在超声探头(7)和声反射面(5)之间往复多次反射，通过时间算法获得反射超声波第1次被超声探头(7)接收和第2次被超声探头(7)接收的到达时间的差，即为时间差T₂；

2)超声探头(7)与超声测量仪(8)连接，采用第一步确定的现场校准时的采样频率记录超声波，并采用第一步确定的现场校准中使用的算法计算传时间差T₂；

所述声道长度l与被测时间差T₂之间的关系表征为：

T₂＝2l/c (5)

相对标准长度l_标与声道长度l相差固定的系统偏差l₀，l＝l_标+l₀；

第三步，测量超声波在声道方向上的时间差T₂；

1)系统偏差标定：在位移平台(4)处于静止状态时，标定系统偏差l₀；在静止条件下进行测量，记录时间差、声速和相对标准长度，系统偏差l₀为：

l₀＝T_2静c_静/2-l_标静 (6)

其中，T_2静为静止状态下时间差的测量值、c_静为静止状态下声速的测量值，l_标静为静止状态下相对标准长度的测量值；

2)测量范围换算：根据第一步中记录的时间差覆盖的范围，结合静止状态下的声速c_静和式(5)，得到与时间差范围对应的声道长度l的范围；

3)位移测量实验：通过位移实验平台调整声道长度l，并测量实时的时间差T₂和声速c；具体的：在第三步1)中所述声道的长度范围内，位移平台(4)自轨道一端到另一端进行往复实验；通过长度标准装置记录实验过程中实时的相对标准长度l_标，由超声测量仪(8)记录实验过程中实时的时间差T₂，由声速测量装置(9)记录实验过程中实时的声速c；

第四步，根据声道长度l的测量值，计算标准时间差T_2标，进而完成时间差的溯源；

1)通过实时的相对标准长度l_标与固定的系统偏差l₀相加得到实时的声道长度l；

2)通过实时的声道长度l和实时的声速c，根据式(5)得到标准的传播时间T_2标；

3)溯源结果dT₂为实时的传播时间T₂与标准的传播时间T_2标的差：

dT₂＝T₂-T_2标 (7)

依照第二步到第四的过程，将超声流量校准装置中的超声探头(7)的传播时间，依次进行溯源。

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