CN113624305B - 一种超声波流量计校准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波流量计校准方法及系统，应用于基于时差法的超声波流量计，令待校准超声波流量计发射端发射超声波信号A，计量超声波信号A被接收端接收的时间Tm1，计量超声波信号A的二次反射信号被接收端接收的时间Tr1；令待校准超声波流量计接收端发射超声波信号B，计量超声波信号B被发射端接收的时间Tm2，计量超声波信号B的二次反射信号被接收端接收的时间Tr2；基于Tm1、Tm2、Tr1和Tr2根据延迟时间模型计算延迟时间；使用延迟时间对超声波流量计实测的飞行时间进行校准；不仅提高超声波流量计的精度，而且方法简单，便于实施。

Description

一种超声波流量计校准方法及系统

技术领域

本发明涉及超声波流量计技术领域，具体涉及一种超声波流量计校准方法及系统。

背景技术

随着燃气计量领域对燃气计量精度的要求越来越高，超声波燃气表正在兴起。超声波燃气表与膜式燃气表相比，具有量程宽、体积小、结构简单、计量精度高、稳定性好等优点；超声波燃气表以其非接触测量、无可动部件、无压力损失、极高的计量精度等优势，成为燃气计量领域的研究热点。超声波燃气表计量原理是利用超声波在顺流和逆流方向经历时间不同来估计瞬时流量。在不考虑声速受管道内环境的影响下，面平均流速的估计主要受上飞时间和下飞时间的时间差ΔT控制。受限于超声波换能器的性能和硬件成本，ΔT的精确估计不能仅仅依靠提高采样密度至目标粒度。因此，需要在低采样频率下，通过数值计算，完成ΔT的精确估计。

然而在进行上飞时间和下飞时间的测量时，由于超声波换能器硬件的性能和成本，会对上飞时间和下飞时间的计量造成一定的延迟误差，为了获得更精准的时间差ΔT，需要一种校准方法对硬件造成的延迟误差进行弥补。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是由于超声波换能器硬件的性能和成本，会对上飞时间和下飞时间的测量造成一定的延迟误差，本发明目的在于提供一种超声波流量计校准方法及系统，以有效弥补超声波换能器硬件造成飞行时间计量的延迟误差。

本发明通过下述技术方案实现：

一种超声波流量计校准方法，应用于基于时差法的超声波流量计，包括步骤：

令待校准超声波流量计发射端发射超声波信号A，计量超声波信号A被接收端接收的时间Tm1，计量超声波信号A的二次反射信号被接收端接收的时间Tr1；

令待校准超声波流量计接收端发射超声波信号B，计量超声波信号B被发射端接收的时间Tm2，计量超声波信号B的二次反射信号被接收端接收的时间Tr2；

基于Tm1、Tm2、Tr1和Tr2根据延迟时间模型计算出延迟时间；

使用延迟时间对超声波流量计实测的飞行时间进行校准。

进一步优化方案为，所述延迟时间包括发射端延迟时间和接收端延迟时间，所述发射端延迟时间由发射端超声波换能器造成，接收端延迟时间由接收端的超声波换能器造成。

进一步优化方案为，超声波换能器的压电晶片和匹配层均会造成延迟时间。

这里以顺向为例，首先发射信号(电信号)加在超声波换能器的压电晶片上，压电晶片将电信号转换成机械振动，机械振动经超声波换能器的匹配层等中间介质，最终形成超声波信号，从换能器表面发出；

然后超声波信号通过传输介质，到达接收端超声波换能器表面，经过接收端超声波换能器的匹配层和压电晶片再转换成接收信号(电信号)。实际上，飞行时间的测量是通过测量的发射信号到接收信号的时间间接测得的。实际测量的时间其实包含了下面这几个部分：

1.发射信号经压发射端换能器的电晶片转换成机械振荡的时间；

2.机械振动经过匹配层的延迟时间；

3.接收端匹配层的延迟时间；

4.接收端压电晶片的转换时间。

因此需要对以上延迟的时间进行校正。

进一步优化方案为，所述延迟时间模型包括上飞行延迟时间模型和下飞行延迟时间模型；

所述上飞行延迟时间模型为：上飞行延时因子＝3*Tm1/4+Tr1/4+3*Tm2/4-3*Tr2/4；

所述下飞行延迟时间模型为：下飞行延时因子＝Tm1/4-Tr1/4+5*Tm2/4-Tm2/4。

进一步优化方案为，实测的飞行时间校准方法为：实测的上飞行时间-上飞行延时因子；实测的下飞行时间-下飞行延时因子。

进一步优化方案为，获取Tm1、Tm2、Tr1和Tr2时，令超声波信号A和超声波信号B发出后经过待测介质后被接收。

本发明基于上述一种超声波流量计校准方法还提供一种超声波流量计校准系统，，包括：采集装置、计算装置和校准装置；

令待校准超声波流量计发射端发射超声波信号A，采集装置计量超声波信号A被接收端接收的时间Tm1，计量超声波信号A的二次反射信号被接收端接收的时间Tr1；

令待校准超声波流量计接收端发射超声波信号B，采集装置计量超声波信号B被发射端接收的时间Tm2，计量超声波信号B的二次反射信号被接收端接收的时间Tr2；

计算装置用于基于Tm1、Tm2、Tr1和Tr2根据延迟时间模型计算出延迟时间；

校准装置使用延迟时间对超声波流量计实测的飞行时间进行校准。

进一步优化方案为，所述延迟时间模型包括上飞行延迟时间模型和下飞行延迟时间模型；

所述下飞行延迟时间模型为：下飞行延迟时间＝3*Tm1/4+Tr1/4+3*Tm2/4-3*Tr2/4；

所述上飞行延迟时间模型为：上飞行延迟时间＝Tm1/4-Tr1/4+5*Tm2/4-Tm2/4。

进一步优化方案为，实测的飞行时间校准方法为：实测的上飞行时间-上飞行延时因子；实测的下飞行时间-下飞行延时因子。

基于时差法的超声波流量计原理如下：

如图1所示，图中S1,S2分别为2个超声波换能器，两个超声波换能器之间可以互相向对方发射超声波信号。L为超声波信号的声程。流体以速度u按流动方向流动。流动方向和声波方向角度为θ。超声波的实际传播速度c是声速c0和流体在声道方向上的传播速度分量u*cosθ的叠加，即

c＝c0±u*cosθ

超声波信号从一个换能器发出，经过流体传输介质，到达另一个换能器的时间，称为飞行时间；当超声波换能器S1发出超声波信号，经过长度为L的声程传播，到达超声波换能器S2，该过程称为顺向，传播时间为下飞行时间t1；当超声波换能器S2发出超声波信号，经过长度为L的声程传播，到达超声波换能器S1，该过程称为逆向，传播时间为下飞行时间t2。

根据公式1和公式2，可以推算出流体的速度为：

根据流体的速度u与管道的截面面积S的关系，即可以得到瞬时流量。

q＝u*S 公式4

分析公式3：令

t1-t2＝dt则公式3可以进一步转换为公式5。可见要得到流体的速度u，需要测得下飞行时间t1,上飞行时间t2。

超声波换能器的工作原理为：

如图2所示，这里以顺向为例，首先发射信号(电信号)加在压电晶片上，压电晶片将电信号转换成机械振动，机械振动经匹配层等中间介质，最终形成超声波信号，从超声波换能器表面发出。然后超声波信号通过传输介质，到达接收端超声波换能器表面。然后经过接收端超声波换能器S2的匹配层、压电晶片再转换成接收信号(电信号)。实际上测量的飞行时间发射信号到接收信号的时间Tm1。而时间Tm1中其实包含了下面这几个部分：1、发射信号经压电晶片转换成机械振荡的时间Ta1；2、机械振动经过超声波换能器匹配层的延迟Ta2；3、超声波信号在流体介质中的传播时间Tc1；4、接收端超声波换能器匹配层的延迟Tb2’；5、接收端压电晶片转换时间Tb1’。

即Tm1＝Ta1+Ta2+Tc1+Tb1’+Tb2’。

令Ta＝Ta1+Ta2；Tb’＝Tb1’+Tb2’得：

Tm1＝Ta + Tb’ +Tc1 公式6

同理，逆向时：

Tm2＝Ta’+ Tb+Tc2 公式7

公式3中的t1和t2相当于这里的Tc1和Tc2。

根据公式6、7，可得Tc1＝Tm1-(Ta+Tb’),Tc2＝Tm2-(Ta’+Tb)

公式5中：

dt＝t1-t2

＝>dt＝Tc1–Tc2

＝> dt ＝ Tm1- (Ta + Tb’) - Tm2- (Ta’ +Tb) 公式8

理想情况下：

Ta＝Ta’、Tb＝Tb’ 条件1

所以dt＝Tm1-Tm2；

另外由于Ta、Ta’、Tb和Tb’远小于Tm1、Tm2。

公式5中的t1*t2近似等于Tm1*Tm2；但是在实际情况下，受制造工艺的、非线性等因数影响，条件1不一定成立。所以最终将对结果引入误差。

如图3所示，本申请方案首先在超声波换能器S1加上发射信号(电信号)，发射端超声波换能器产生的超声波信号，将会经过流体传输介质到达超声波换能器S2表面；经接收端超声波换能器S2表面反射产生超声反射信号1，超声反射信号1再经过传输介质回到接收端超声波换能器S1，再经超声波换能器S1表面反射产生超声反射信号2，超声反射信号2经接收端超声波换能器S2转换形成(二次反射信号)接收信号(电信号)。

测得发射信号到接收到二次反射信号的时间Tr1。根据上述过程可得：

Tr1＝Ta+Tb’+2Tc1+Tc2 公式10

同理，以S2为发射，S1接收，可以测得：

Tr2＝Ta’+Tb+2Tc2+Tc1 公式11

由公式6、7、10、11可以推出。

下飞行延时因子Ta+Tb’＝3*Tm1/4+Tr1/4+3*Tm2/4-3*Tr2/4

上飞行延时因子Ta’+Tb＝Tm1/4-Tr1/4+5*Tm2/4-Tm2_/4

还可以计算出Tc1＝Tm1/4-Tr1/4-3*Tm2/4+3*Tr2/4；Tc2＝-Tm1/4+Tr1/4-Tm2/4+Tr2/4。

本方案工作原理：在使用超声波流量计进行上飞时间和下飞时间的测量时，现有技术通常是忽略超声波换能器硬件，直接以理想情况下记录上飞时间和下飞时间，并没有考虑超声波换能器硬件的制造工艺差异、非线性等因数，这样导致超声波流量计最终获得的流体体积存在一定误差，考虑到超声波换能器性能和成本，又没有合适的其他器件来替代超声波换能器，因此本方案提供的一种超声波流量计校准方法及系统，在超声波流量计使用前先计算出超声波换能器硬件造成的延迟时间差，在实际计量过程中，使用延迟时间差对实测时间进行校准，不仅提高了超声波流量计的计量精度，而且本方法简单，便于实施。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明提供的一种超声波流量计校准方法及系统，本发明考虑到超声波换能器硬件的制造工艺差异、非线性等因数影响，在超声波流量计使用前先计算出超声波换能器硬件造成的延迟时间差，在实际计量过程中，使用延迟时间差对实测时间进行校准，不仅提高了超声波流量计的计量精度，而且本方法简单，便于实施，为超声波流量计后续计算提供精准的数据基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。在附图中：

图1为基于时差法的超声波流量计原理示意图；

图2为超声波换能器的工作原理示意图；

图3为本发明工作原理示意图；

附图中标记及对应的零部件名称：

1-发射端超声波换能器S1，11-压电晶片，12-匹配层，2-接收端超声波换能器S1。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

本实施例提供一种超声波流量计校准方法，应用于基于时差法的超声波流量计，包括步骤：

令待校准超声波流量计发射端发射超声波信号A，计量超声波信号A被接收端接收的时间Tm1，计量超声波信号A的二次反射信号被接收端接收的时间Tr1；

令待校准超声波流量计接收端发射超声波信号B，计量超声波信号B被发射端接收的时间Tm2，计量超声波信号B的二次反射信号被接收端接收的时间Tr2；

基于Tm1、Tm2、Tr1和Tr2根据延迟时间模型计算出延迟时间；

使用延迟时间对超声波流量计实测的飞行时间进行校准。

所述延迟时间包括发射端延迟时间和接收端延迟时间，所述发射端延迟时间由发射端超声波换能器造成，接收端延迟时间由接收端的超声波换能器造成。

超声波换能器的压电晶片和匹配层均会造成延迟时间。

所述延迟时间模型包括上飞行延迟时间模型和下飞行延迟时间模型；

所述上飞行延迟时间模型为：上飞行延时因子＝3*Tm1/4+Tr1/4+3*Tm2/4-3*Tr2/4；

所述下飞行延迟时间模型为：下飞行延时因子＝Tm1/4-Tr1/4+5*Tm2/4-Tm2/4。

实测的飞行时间校准方法为：实测的上飞行时间-上飞行延时因子；实测的下飞行时间-下飞行延时因子。

根据权利要求5所述的一种超声波流量计校准方法，其特征在于，获取Tm1、Tm2、Tr1和Tr2时，令超声波信号A和超声波信号B发出后经过待测介质后被接收。

实施例2

基于上一实施例的一种超声波流量计校准方法，本实施例提供一种超声波流量计校准系统，包括：采集装置、计算装置和校准装置；

令待校准超声波流量计发射端发射超声波信号A，采集装置计量超声波信号A被接收端接收的时间Tm1，计量超声波信号A的二次反射信号被接收端接收的时间Tr1；

令待校准超声波流量计接收端发射超声波信号B，采集装置计量超声波信号B被发射端接收的时间Tm2，计量超声波信号B的二次反射信号被接收端接收的时间Tr2；

计算装置用于基于Tm1、Tm2、Tr1和Tr2根据延迟时间模型计算出延迟时间；

校准装置使用延迟时间对超声波流量计实测的飞行时间进行校准。

所述延迟时间模型包括上飞行延迟时间模型和下飞行延迟时间模型；

所述上飞行延迟时间模型为：上飞行延时因子＝3*Tm1/4+Tr1/4+3*Tm2/4-3*Tr2/4；

所述下飞行延迟时间模型为：下飞行延时因子＝Tm1/4-Tr1/4+5*Tm2/4-Tm2/4。

实测的飞行时间校准方法为：实测的上飞行时间-上飞行延时因子；实测的下飞行时间-下飞行延时因子。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种超声波流量计校准方法，应用于基于时差法的超声波流量计，其特征在于，包括步骤：

令待校准超声波流量计发射端发射超声波信号A，计量超声波信号A被接收端接收的时间Tm1，计量超声波信号A的二次反射信号被接收端接收的时间Tr1；

令待校准超声波流量计接收端发射超声波信号B，计量超声波信号B被发射端接收的时间Tm2，计量超声波信号B的二次反射信号被接收端接收的时间Tr2；

基于Tm1、Tm2、Tr1和Tr2根据延迟时间模型计算出延迟时间；

使用延迟时间对超声波流量计实测的飞行时间进行校准；

所述延迟时间模型包括上飞行延迟时间模型和下飞行延迟时间模型；

所述下飞行延迟时间模型为：下飞行延时因子＝3*Tm1/4+Tr1/4+3*Tm2/4-3*Tr2/4；

所述上飞行延迟时间模型为：上飞行延时因子＝Tm1/4-Tr1/4+5*Tm2/4-Tm2/4；

实测的飞行时间校准方法为：实测的上飞行时间-上飞行延时因子；实测的下飞行时间-下飞行延时因子。

2.根据权利要求1所述的一种超声波流量计校准方法，其特征在于，所述延迟时间包括发射端延迟时间和接收端延迟时间，所述发射端延迟时间由发射端超声波换能器造成，接收端延迟时间由接收端的超声波换能器造成。

3.根据权利要求2所述的一种超声波流量计校准方法，其特征在于，超声波换能器的压电晶片和匹配层均会造成延迟时间。

4.根据权利要求3所述的一种超声波流量计校准方法，其特征在于，获取Tm1、Tm2、Tr1和Tr2时，令超声波信号A和超声波信号B发出后经过待测介质后被接收。

5.一种超声波流量计校准系统，应用于权利要求1-4任一项所述的一种超声波流量计校准方法，其特征在于，包括：采集装置、计算装置和校准装置；

令待校准超声波流量计发射端发射超声波信号A，采集装置计量超声波信号A被接收端接收的时间Tm1，计量超声波信号A的二次反射信号被接收端接收的时间Tr1；

令待校准超声波流量计接收端发射超声波信号B，采集装置计量超声波信号B被发射端接收的时间Tm2，计量超声波信号B的二次反射信号被接收端接收的时间Tr2；

计算装置用于基于Tm1、Tm2、Tr1和Tr2根据延迟时间模型计算出延迟时间；

校准装置使用延迟时间对超声波流量计实测的飞行时间进行校准。

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