CN113702662B - 一种多声道同步发射流速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多声道同步发射流速测量装置及方法。本发明使N个超声波换能器均布在管道侧壁的同一横截面上，另外N个超声波换能器均布在管道侧壁的另一横截面上，前N个超声波换能器对应在后N个超声波换能器中，总能找到与之连线与轴心线相交的超声波换能器，将这样的两个超声波换能器称为一对超声波换能器；由两对超声波换能器可求解出一个流速。对所有流速求平均可得流速均值。本发明运用计时芯片和微控制器的特性设计集成芯片，实现超声波流量计数据的远传的远程抄表功能，利用相关运算得到流体的速度，为超声流速的测量提供了一种新的思路。本发明还集成了窄带物联网技术，相应数据可以上传至上位机，提高了超声波流量计的智能化水平。

Description

一种多声道同步发射流速测量装置及方法

技术领域

本发明涉及两相流检测技术领域，具体地说是一种多声道同步发射流速测量装置及方法。

背景技术

目前，超声波测速的方法有时差法、多普勒测速法、频差法等。

时差法测量的是沿流体流动的正反两个不同方向发射的超声波到达接收端的时差。时差法是目前气体超声波流量计应用较多的测量原理方法。气体超声波流量计主要由超声波换能器组、信号处理电路和积算系统三个部分组成。超声波发射换能器发射超声波束穿过被测流体，超声波接收换能器把接收到的信号经过放大、滤波处理后转换为电信号，供积算系统积算，最终实现流速的检测。

多普勒超声波测速法是利用声波在流体中传播的多普勒效应，通过测定流体中运动粒子散射声波的多普勒频移，即可得到流体的速度。该方法适合于明渠、河道及难以建造标准断面的流速测量以及各种满管和非满管明渠流速测量。

频差法可以避开声速随温度变化的影响，但测频由于存在正负一的误差，对于精度高的地方，需要高速计数器。

目前，Yamanaka提出了一种新型的超声波时域互相关法(UTDC)测量流体速度场。该方法利用两个连续呼应的超声波脉冲测量流体流速，相对于传统的超声波流量计，该方法提高了时间以及空间的分辨率，并解决了由于Nyquist`s采样定理对最大可测流速的局限问题。

目前在气液两相流液体流速检测过程中，国内外的超声波流量计均不能同时测量同一时间点内流经流体的流速，这就导致实际测量精度往往无法达到设定精度。而且，常规超声流量计的安装与拆卸会涉及断流停产等问题，研究管道内液体流速对于超声导波传播速度的影响，在管道不断流状态下实现流量的检测，尤其是对于小管径管道内液体流量的测量，可以避免断流停产等问题，减少常规检测方法带来的经济损失，为流量测量提供新的方法，已经引起了国内外广泛的关注。

发明内容

本发明的目的就是提供一种多声道同步发射流速测量装置及方法，以解决现有方法流速测量精度不高的问题。

本发明是这样实现的：一种多声道同步发射流速测量装置，包括2N个超声波换能器，N≥3；其中，N个超声波换能器均布在管道侧壁的同一横截面上，将此N个超声波换能器称为第一组超声波换能器；另外N个超声波换能器与第一组超声波换能器按相同的布置方式均布在管道侧壁的另一横截面上，将此N个超声波换能器称为第二组超声波换能器；第一组中N个超声波换能器与第二组中N个超声波换能器一一对应在同一母线上；第一组中各超声波换能器，对应在第二组超声波换能器中，总能找到与之连线与轴心线相交的超声波换能器，将这两个超声波换能器称为一对超声波换能器；由两对超声波换能器可求解出一个流速，N对超声波换能器至少可求解出N/2向下取整数个流速，至多可求解出N个流速；对所有流速求平均可得流速均值。

在通过两对超声波换能器求解一个流速的过程中，利用其中一对超声波换能器测超声波在流体中的顺流传播时间，利用另一对超声波换能器测超声波在流体中的逆流传播时间。

在各超声波换能器的前端设有超声波探头，各超声波换能器均为收发一体式超声波换能器。

处于同一横截面上的N个超声波换能器通过一附加装置进行安装固定，所述附加装置类似一绑带结构，在该附加装置上等间距设置螺纹，通过螺纹来固定相应超声波探头。

本发明所提供的多声道同步发射流速测量装置，还包括与各超声波换能器相接的通道控制模块和计时模块，所述通道控制模块和所述计时模块还分别与单片机相连接；所述单片机通过USB通讯模块与上位机相接。

优选的，所述通道控制模块采用74HC4052D芯片，所述计时模块采用TDC-GP22芯片，所述单片机采用MSP430FR6047芯片。

本发明所提供的多声道同步发射流速测量方法，包括如下步骤：

a、在管道侧壁设置如上所述的2N个超声波换能器；

b、在单片机的控制下，通道控制模块控制各超声波换能器同时工作，在每一对超声波换能器中，一个用于发射超声波信号，一个用于接收超声波信号；

c、通道控制模块和计时模块采集各超声波换能器前端的超声波探头发射/接收的超声波信号，并把所采集信号发送至单片机；

d、单片机对所接收到的数据进行存储、处理，并将相应数据发送至上位机；

e、上位机根据如下公式计算流速：

上面公式中，T₁是超声波信号在流体中的顺流传播时间，T₂是超声波信号在流体中的逆流传播时间，L是同一母线上两个超声波换能器之间的距离，θ是每一对超声波换能器连线与管壁之间的夹角；

由两对超声波换能器可求解一个流速v，通过求解多个流速再求流速均值。

本发明设计超声多声道同步发射流量计，实现了多探头同步的水流速测量，具体地说，本发明研发了一款超声多声道同步发射流速测量装置及方法。本发明中集成了窄带物联网技术，相应数据可以上传至上位机，提高了超声波流量计的智能化水平。

本发明运用计时芯片和微控制器的特性设计集成芯片，实现超声波流量计数据的远传的远程抄表功能，利用相关运算得到流体的速度，为超声流速的测量提供了一种新的思路。通过精确地测量各声道上超声波沿水流顺向及逆向传播的时差，用加权积分的方法可计算出流量，测量精度较高。采用多传感器多声道测量方法，可以提高对流场变化的适应性，能有效克服由于流场分布不均对测量带来的影响，提高流速的测量精度。在此基础上，在管道不断流状态下实现流量的检测，尤其是对于小管径管道内液体流量的测量，可以避免断流停产等问题，减少常规检测方法带来的经济损失。

附图说明

图1是本发明实施例中设置四个超声波换能器的结构示意图。

图2是本发明实施例中设置十六个超声波换能器的结构示意图。

图3是本发明实施例中超声波探头附加装置的结构示意图。

图4是本发明实施例中多声道同步发射流速测量装置的结构连接示意图。

图5是本发明实施例中硬件模块结构框图。

具体实施方式

本发明致力于超声波多探头同步发射流速测量装置，为实现两相流参数检测提供一种可能性。具体来说，本发明设计了超声波多声道同步发射流量计。对硬件的设计方案进行选型，从成本、精度和鲁棒性三个方面考虑，确定了数字信号处理的硬件设计方案。并以集成度高的MSP430FR6047作为核心电路，并进行相应的软件编程。在算法研究方面，提出了基于波形定位的顺逆流渡越时间法和互相关时间差算法。

超声波时差法流量计的流速测量是基于速度差原理。如图1所示，在管道侧壁设置四个超声波换能器，分别为A、B、C、D，四个超声波换能器均为收发一体式超声波换能器，能够实现超声波的发射和接收。其中，超声波换能器A和C处于同一横截面上，且两者相对设置，即两者连线通过横截面中心；超声波换能器B和D处于同一横截面上，且两者相对设置，即两者连线通过横截面中心；超声波换能器A和B处于管道侧壁的同一母线上；超声波换能器C和D处于管道侧壁的同一母线上。在超声波换能器的前端设有超声波探头，安装四个超声波换能器时，使超声波探头与管道侧壁呈一定夹角，A和D为一对，B和C为一对，A和D探头相对，B和C探头相对，超声波换能器A所发射信号能够被超声波换能器D所接收，超声波换能器B所发射信号能够被超声波换能器C所接收。各超声波探头之间互不干扰。这样的一组超声波换能器(包含两对超声波换能器)能够求解一个流体流速。

顺流时，超声波换能器A发射超声波，穿过流体后被超声波换能器D接收，此时的超声波渡越时间为顺流的传播时间，记为T₁。逆流时，超声波换能器B发射超声波，穿过管道内流体被超声波换能器C接收，此时的超声波渡越时间为逆流的传播时间，记为T₂。

超声波基表管路的流速模型如下：

模型：渡越时间和时间差模型忽略超声波的径向传播时间，超声波的顺流传播时间T₁：

式中：

L——超声波换能器A与超声波换能器B之间的距离，mm；

c——超声波声速，m/s；

v——流体的流速，m/s；

θ——上侧管壁与探头A,D的夹角，本实施例中设置为60°。

式子变形为：

超声波的逆流传播时间T₂：

式子变形为：

将式(2)与式(4)相减，当θ＝60°时，可得：

顺逆流传播的时间差ΔT为：

ΔT＝T₂-T₁ (6)

则流速v为：

同理，多通道测量流速可高达8个速度。直径300mm(DN300)以下的可测量4个以下速度数据，DN300以上的可测量4个以上的速度数据。

这里说明下，对于一个流速v的测量，需要两对(即4个)超声波换能器。两个流速测量可以采用8个超声波换能器，也可以采用6个超声波换能器；至于采用6个超声波换能器来测两个流速时，则需要有一对超声波换能器在求解这两个流速时被共用。因此，本发明中采用6个超声波换能器至多可测三个流速。采用8个超声波换能器可以测2-4个流速；采用10个超声波换能器最多可测5个流速。以此类推，采用16个超声波换能器可测4-8个流速。

以4个速度数据为例进行说明，当夹角θ＝60°时，有如下公式：

得出平均速度为：

对于上述4个速度数据，至少需要设置8个超声波换能器，如果不重复共用的话需要设置16个超声波换能器。

如图2所示，图2中示出了16个超声波换能器的具体设置方式。图2中，(a)是正视图，(b)是俯视图，(c)是左视图。图中，超声波换能器A1、B1、C1、D1、E1、F1、G1、H1处于管道的同一横截面上，且八者均布在管道侧壁上。A2-H2处于管道的另一横截面上，同样八者均布设置。A1与A2处于管道侧壁的同一母线上，B1与B2处于管道侧壁的同一母线上，其他类似。A1发射信号被E2接收，B1发射信号被F2接收，C1发射信号被G2接收，D1发射信号被H2接收，A2发射信号被E1接收，B2发射信号被F1接收，C2发射信号被G1接收，D2发射信号被H1接收。A1、A2、E1和E2，这4个超声波换能器为一组，可以测量一个流速。B1、B2、F1和F2，这4个超声波换能器为一组，可以测量一个流速。C1、C2、G1和G2，这4个超声波换能器为一组，可以测量一个流速。D1、D2、H1和H2，这4个超声波换能器为一组，可以测量一个流速。这4个流速在测量时是没有共用任何一对超声波换能器。不同流速测量时，如果共用超声波换能器，则最多可以测量8组流速。对于管径小所设置的超声波换能器不够多时，可以在不同流速测量时，选择共用超声波换能器。对于管径较大能够设置足够多的超声波换能器时，可以在不同流速测量时，选择不同的超声波换能器。

在每一个流速测量时，均需要4个超声波换能器，这4个超声波换能器分为两对，每一对超声波换能器的连线与轴心线相交，即每一对超声波换能器关于轴心线对称设置。这两对超声波换能器，一对用来测顺流渡越时间T₁，另一对用来测逆流渡越时间T₂。两对超声波换能器中，处于同一母线上的超声波换能器之间的距离为L，因为，根据公式(7)即可求得流速。

每一对中的两个超声波换能器之间的连线与管壁(即轴向)呈一个特定角度θ，θ取值范围为10°-80°，上述公式(7)是在θ取值为60°的情形下所求，当θ不确定时，流速的求解公式如下：

对于处于同一横截面上的超声波换能器，本发明中采用一附加装置对各探头进行固定。如图3所示，该附加装置类似一个绑带结构，长度可调节，最长长度为管径×π，等距离设置螺纹，通过螺纹来固定超声波探头。

如图4所示，图4示出了本发明整个流速测量装置的结构连接图。图中，在管道2的侧壁均布有若干超声波探头3，超声波探头3由附加装置1(具体结构见图3)进行固定。各超声波探头3通过超声波连接线束与硬件模块相接，电源通过电源连接线为硬件模块供电，硬件模块通过USB连接线与电脑主机相接。

硬件模块的结构框图如图5所示，本发明中硬件模块包括单片机、通道控制模块和计时模块，本实施例中单片机采用MSP430FR6047芯片，通道控制模块采用74HC4052D芯片，计时模块采用TDC-GP22计时芯片。整套系统具有一个兼具USB连接和调试功能的芯片MSP430F5528。

单片机与通道控制模块相连接，在单片机的控制下，通道控制模块控制各组超声波探头进行超声波发射，并接收相应回波信号给单片机。也就是说，通道控制模块可以控制超声波换能器地连接、断开和切换等，可以使各超声波换能器同时工作，也可以使其单独工作，或选择其中几组超声波换能器进行工作。计时模块采集超声波信号并进行计时，计时信号发送至单片机，单片机通过USB通讯模块将数据上传至电脑主机，由电脑主机根据相应公式对流速进行计算。

以一路超声波(图1中A和D)为例对其工作过程进行说明：超声波换能器开始工作后，一侧管壁的超声波探头A发射声信号，由另一侧的超声波探头D接收，当通道控制模块和计时模块接收到超声波信号后，由通道控制模块控制超声波探头A不再发射声信号，即进行中断，中断时将不再发射、也不接收超声波信号。超声波信号经通道控制模块和计时模块后传至单片机。中断结束后继续由通道控制模块控制超声波探头发射超声波信号，可以通过发射接收信号的大小对下一步发射的信号强度进行调整。通道控制模块和计时模块对多路声信号进行采集并传输至单片机，单片机再将处理后的数据传输至上位机，由上位机中相应软件系统进行处理，最终得到处理好的平均速度。

实施例1，一种多声道同步发射流速测量装置

本发明提供的流速测量装置包括数量为偶数的超声波换能器，超声波换能器的数量在6-32之间。

以图2中16个超声波换能器为例进行说明。将这16个超声波换能器平均分为两组，其中，第一组超声波换能器包括A1-H1，且这8个超声波换能器按A1-H1的顺序依序均布在管道侧壁的同一横截面上；第二组超声波换能器包括A2-H2，这8个超声波换能器按A2-H2的顺序依序均布在管道侧壁的另一横截面上。而且，两组中的超声波换能器在管道母线上一一对应，即：A1与A2处于同一母线上，B1与B2处于同一母线上，以此类推。

在第一组超声波换能器中，A1-D1发射超声波信号，在第二组超声波换能器中，分别与A1-D1关于轴心线上距上述两个横截面距离相等的点呈对称分布的E2-H2，用来接收A1-D1发射的超声波信号。在第二组超声波换能器中，A2-D2发射超声波信号，A2-D2所发射的超声波信号分别由第一组中的E1-H1接收，E1-H1关于轴心线上距上述两个横截面距离相等的点与A2-D2分别呈对称分布。

每一个超声波换能器的前端设有超声波探头，超声波换能器固定在管道侧壁上时，采用图3所示附加装置对超声波探头进行固定。

测量时，第一组中一个超声波探头发射超声波信号由第二组中与其关于轴心线对称的一个超声波探头接收，这样的两个超声波探头称为一对超声波探头；与该一对超声波探头处于同一母线上的另一对超声波探头中，第二组中超声波探头发射超声波信号由第一组中超声波探头接收；由该两对超声波探头通过测量顺逆流时间差，再结合同一母线上两个超声波探头之间的距离，以及一对超声波探头与管壁之间的夹角，利用公式(13)可求出一个流速。同理，再利用两对超声波探头又可求出一个流速。图2中16个超声波换能器，如果不重复利用超声波换能器，至少可求出4个流速，最多可求出8个流速，然后再利用平均公式即可求得流速的均值。

通道控制模块可以控制所有超声波换能器同时工作，也可以控制某些超声波换能器工作。计时模块用于采集超声波信号并进行计时。单片机接收通道控制模块和计时模块发送的信号并进行处理，单片机可将相应数据通过USB通讯模块上传至电脑主机。电脑主机根据相应软件程序可求出平均流速。

实施例2，一种多声道同步发射流速测量方法

以图2中16个超声波换能器为例进行说明。本发明所提供的多声道同步发射流速测量方法包括如下步骤：

a在管道侧壁设置16个超声波换能器，超声波换能器的前端设有超声波探头。各超声波换能器的设置方式见图2以及上面描述。

b在通道控制模块的控制下，各超声波换能器通过超声波探头传递超声波信号，超声波信号经通道控制模块、计时模块传输至单片机，再由单片机传输至电脑主机，最终电脑主机根据相应公式计算得出流体流速。

Claims (6)

1.一种多声道同步发射流速测量装置，其特征是，包括2N个超声波换能器，N≥3；其中，N个超声波换能器均布在管道侧壁的同一横截面上，将此N个超声波换能器称为第一组超声波换能器；另外N个超声波换能器与第一组超声波换能器按相同的布置方式均布在管道侧壁的另一横截面上，将此N个超声波换能器称为第二组超声波换能器；第一组中N个超声波换能器与第二组中N个超声波换能器一一对应在同一母线上；第一组中各超声波换能器，对应在第二组超声波换能器中，总能找到与之连线与轴心线相交的超声波换能器，将这两个超声波换能器称为一对超声波换能器；由两对超声波换能器可求解出一个流速，N对超声波换能器至少可求解出N/2向下取整数个流速，至多可求解出N个流速；对所有流速求平均可得流速均值；

在通过两对超声波换能器求解一个流速的过程中，利用其中一对超声波换能器测超声波在流体中的顺流传播时间，利用另一对超声波换能器测超声波在流体中的逆流传播时间；在每一对超声波换能器中，一个用于发射超声波信号，一个用于接收超声波信号；

在各超声波换能器的前端设有超声波探头，各超声波换能器均为收发一体式超声波换能器；

流速的计算公式如下：

上面公式中，T ₁是超声波信号在流体中的顺流传播时间，T ₂是超声波信号在流体中的逆流传播时间，L是同一母线上两个超声波换能器之间的距离，θ是每一对超声波换能器连线与管壁之间的夹角；

由两对超声波换能器可求解一个流速v，通过求解多个流速再求流速均值。

2.根据权利要求1所述的多声道同步发射流速测量装置，其特征是，处于同一横截面上的N个超声波换能器通过一附加装置进行安装固定，所述附加装置类似一绑带结构，在该附加装置上等间距设置螺纹，通过螺纹来固定相应超声波探头。

3.根据权利要求1所述的多声道同步发射流速测量装置，其特征是，还包括与各超声波换能器相接的通道控制模块和计时模块，所述通道控制模块和所述计时模块还分别与单片机相连接；所述单片机通过USB通讯模块与上位机相接。

4.根据权利要求3所述的多声道同步发射流速测量装置，其特征是，所述通道控制模块采用74HC4052D芯片，所述计时模块采用TDC-GP22芯片，所述单片机采用MSP430FR6047芯片。

5.一种多声道同步发射流速测量方法，其特征是，包括如下步骤：

a、在管道侧壁设置如权利要求1所述的2N个超声波换能器；

b、在单片机的控制下，通道控制模块控制各超声波换能器同时工作，在每一对超声波换能器中，一个用于发射超声波信号，一个用于接收超声波信号；

c、通道控制模块和计时模块采集各超声波换能器前端的超声波探头发射/接收的超声波信号，并把所采集信号发送至单片机；

d、单片机对所接收到的数据进行存储、处理，并将相应数据发送至上位机；

e、上位机根据如下公式计算流速：

上面公式中，T ₁是超声波信号在流体中的顺流传播时间，T ₂是超声波信号在流体中的逆流传播时间，L是同一母线上两个超声波换能器之间的距离，θ是每一对超声波换能器连线与管壁之间的夹角；

由两对超声波换能器可求解一个流速v，通过求解多个流速再求流速均值。

6.根据权利要求5所述的多声道同步发射流速测量方法，其特征是，所述通道控制模块采用74HC4052D芯片，所述计时模块采用TDC-GP22芯片，所述单片机采用MSP430FR6047芯片。