CN113917184A - 一种超声波测速方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超声波测速方法及装置，属于超声波测速技术领域。根据换能器的幅频特性，选择多个工作频点，由MCU生成相应的PWM作为换能器的激励，在流道上下游各设置一个换能器，相互发射和接收超声波信号，MCU根据接收的顺逆流超声波信号，计算出各自的相位，并求出顺逆流信号的相位差，依次计算出超声波在流道中传播所用的时间，根据该时间，结合流道的参数等计算出流速。采用本发明，计算量少且对MCU的要求低，节省成本。

Description

一种超声波测速方法及装置

技术领域

本发明涉及一种超声波测速方法及装置，属于超声波测速技术领域。

背景技术

超声波流体测量的原理为：超声波信号在流体中传播时，会受到流体(气体或液体)的调制作用，使得信号的幅值、传播速度等特性发生改变，可通过不同的信号处理方法对接收到的信号进行处理，从而得到流体的流速信息，最终实现对流体的精确计量。

现有的超声波测速技术，根据测量的原理不同，可分为波束偏移法、相关法、多普勒效应法等。

1、波束偏移法

其测量原理如图1所示，换能器1和换能器2的距离要等于换能器1和换能器3的距离。换能器1沿垂直流道轴线的方向发射超声波，当流体静止时，换能器2和换能器3接收到的信号强度相同；当流体流速不为0时，换能器2和换能器3接收到的信号强度会随流速的改变而发生改变，通过测量换能器2和换能器3接收到的超声波的能量差，可实现流速的测量。

波束偏移法的不足之处：受换能器灵敏度、信号强度的影响比较大，适应范围小，尤其在低流速时，测量效果差。

2、相关法

该检测方法主要利用互相关函数计算信号的时间延迟，假设顺流接收到的信号为x(t),逆流接收到的信号为y(t),对它们进行互相关运算：

当R_xy(τ)取最大值时，最大值对应的τ即为信号x(t)和y(t)之间的时延。

该方法的优点是：抗干扰能力较强；不足之处是：计算量大，对一般的MCU来说，计算延迟大，功耗高。

3、多普勒效应法

其测量原理如图2所示，通过换能器1发出一组频率为f的超声波信号，该信号在穿过流体时，会与流体中的介质(固体颗粒或气泡等)产生相对运动，该相对运动将导致超声波信号产生散射现象，此时换能器2接收到的散射信号，其频率为f1。发射频率f，接收频率f1以及流体流速v之间存在以下关系；

其中c为超声波在流体的传播速度；θ为发射信号与接收信号的夹角。

该方法的不足之处为：1)要求流体中必须有固体颗粒或气泡等；2)应用范围受限,不能用于气体计量；3)要求流体中的颗粒或气泡要保持良好的均匀性，否则带来的误差波动会很大。

综上，目前计算超声波流道中流速时采用的方法局限性大且计算复杂，对MCU的要求高，成本大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波测速方法及装置，用于解决在测量流道中的流体流速时计算量大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超声波测速方法，采用两个换能器进行测速，分别为安装在流道上游的第一换能器和安装在流道下游的第二换能器，所述超声波测速方法包括如下步骤：

1)根据换能器的幅频特性，选择至少两个工作频点fi；

2)生成对应各工作频点fi的PWM波，将相同的PWM波作为第一换能器和第二换能器的激励信号；

3)在激励信号的作用下，第一换能器发射超声波，由第二换能器接收，得到顺流波形；第二换能器发射超声波，由第一换能器接收，得到逆流波形；

4)计算顺流波形相位和逆流波形相位，将顺流波形相位与逆流波形相位的差值作为顺逆流波形相位差；

5)根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差；

6)重复步骤3)～5)，得到对应各工作频点fi的顺逆流时差；

7)根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速。

本发明的有益效果是：根据换能器的幅频特性，选择多个工作频点，由MCU生成相应的PWM作为换能器的激励，在流道上下游各设置一个换能器，相互发射和接收超声波信号，MCU根据接收的顺逆流超声波信号，计算出各自的相位，并求出顺逆流信号的相位差，依次计算出超声波在流道中传播所用的时间，根据该时间，结合流道的参数等计算出流速。采用本发明，计算量少且对MCU的要求低，节省成本。

进一步地，在上述方法中，步骤4)中，计算顺流波形相位和逆流波形相位的方法包括如下步骤：

1)对顺流波形和逆流波形对应的顺流信号和逆流信号进行递归运算，递归运算的公式为：

式中，x(n)为对应顺流波形或逆流波形的信号序列；n＝0，1，2，3，…,N-1；N为采样点数；Q_k(n)为递推中间量，取初始值Q_k(-2)＝Q_k(-1)＝0；

Round表示取整；fs为采样频率；

2)对递推中间量Q_k(n)进行非递归运算，非递归运算的公式为：

式中，

y_k(n)为非递推中间量，e为自然对数，j为虚数符号；

3)根据如下公式计算n＝N-1时对应工作频点fi的顺流信号和逆流信号的幅频信息：

式中，X(k)为对应x(n)的幅频信息；

4)根据如下公式计算顺流波形相位和逆流波形相位：

式中，a为X(k)的实部，b为X(k)的虚部，

为对应的顺流波形相位或逆流波形相位。

本发明中计算流速的方法，采样点少，算法简单，不需要复杂的频域变换，仅需要N次实数乘法和1和复数乘法，计算量明显减少。

进一步地，在上述方法中，根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差的公式为：

式中，Δt(n)为顺逆流时差，T为对应工作频点fi的的周期；

为顺逆流波形相位差。

进一步地，在上述方法中，根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速v的公式为：

式中，c为流体中的声速，L为超声波传播距离，θ为超声波传播路径相对于流道的传播角度。

进一步地，在上述方法中，步骤7)中，对得到的各顺逆流时差进行均值滤波，然后采用时差法计算流道中流体的流速。

采用均值滤波来得到一个较好的超声波时差反映全部的超声波时差，效果更好。

本发明还提供一种超声波测速装置，包括MCU和分别为安装在流道上游的第一换能器和安装在流道下游的第二换能器，还包括模拟开关，MCU通过发送放大电路和接收放大电路连接模拟开关，模拟开关连接第一换能器和第二换能器，MCU还控制连接模拟开关；所述MCU执行指令实现如下超声波测速方法，所述超声波测速方法包括如下步骤：

1)生成对应各工作频点fi的PWM波，将相同的PWM波作为第一换能器和第二换能器的激励信号；

2)控制模拟开关，激励第一换能器产生超声波信号，接收第二换能器接收到的超声波信号，得到顺流波形；激励第二换能器产生超声波信号，接收第一换能器接收到的超声波信号，得到逆流波形；

3)计算顺流波形相位和逆流波形相位，将顺流波形相位与逆流波形相位的差值作为顺逆流波形相位差；

4)根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差；

5)重复步骤2)～4)，得到对应各工作频点fi的顺逆流时差；

6)根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速。

进一步地，在上述装置中，步骤3)中，计算顺流波形相位和逆流波形相位的方法包括如下步骤：

1)对顺流波形和逆流波形对应的顺流信号和逆流信号进行递归运算，递归运算的公式为：

式中，x(n)为对应顺流波形或逆流波形的信号序列；n＝0，1，2，3，…,N-1；N为采样点数；Q_k(n)为递推中间量，取初始值Q_k(-2)＝Q_k(-1)＝0；

Round表示取整；fs为采样频率；

2)对递推中间量Q_k(n)进行非递归运算，非递归运算的公式为：

式中，

y_k(n)为非递推中间量，e为自然对数，j为虚数符号；

3)根据如下公式计算n＝N-1时对应工作频点fi的顺流信号和逆流信号的幅频信息：

式中，X(k)为对应x(n)的幅频信息；

4)根据如下公式计算顺流波形相位和逆流波形相位：

式中，a为X(k)的实部，b为X(k)的虚部，

为对应的顺流波形相位或逆流波形相位。

进一步地，在上述装置中，根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差的公式为

式中，Δt(n)为顺逆流时差，T为对应工作频点fi的的周期；

为顺逆流波形相位差。

进一步地，在上述装置中，根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速v的公式为：

式中，c为流体中的声速，L为超声波传播距离，θ为超声波传播路径相对于流道的传播角度。

进一步地，在上述装置中，步骤6)中，对得到的各顺逆流时差进行均值滤波，然后采用时差法计算流道中流体的流速。

附图说明

图1为现有超声波测速技术中波束偏移法的测量原理图；

图2为现有超声波测速技术中多普勒效应法的测量原理图；

图3为本发明实施例中的装置结构示意图；

图4为本发明实施例中两个换能器的安装示意图；

图5为本发明实施例中的测速流程图；

图6为本发明实施例中工作频点的幅度-时间特性曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

装置实施例：

本发明的一种超声波测速装置，如图3所示，包括MCU、发送放大电路、模拟开关、换能器A、换能器B，流道和接收放大电路。如图4所示，换能器A和换能器B固定安装在流道上，其中换能器A位于流道上游，换能器B位于流道下游，在流道中，流体从流道的上游流向流道的下游，MCU通过发送放大电路和接收放大电路连接模拟开关，模拟开关连接换能器A和换能器B，MCU用于产生设定频率的PWM波，作为换能器A和换能器B的激励信号，还用于采集换能器A和换能器B接收的超声波信号。MCU还连接模拟开关的控制端，通过对模拟开关进行控制来实现对换能器A和换能器B的控制。

本实施例中，MCU通过发送放大电路连接模拟开关的输入端，模拟开关连接换能器A和换能器B，具体的，MCU产生多频PWM激励信号，通过发送放大电路进行放大后，通过模拟开关分别发送给换能器A和换能器B，保证两个换能器受到同源信号的激励，实现超声波信号的顺流发射和逆流发射。作为其他实施方式，也可以将MCU通过两个发送放大电路分别连接换能器A和换能器B。

本实施例中的发送放大电路实际上是一种驱动电路，具有一定的信号放大作用，因此作为发送放大电路。

本实施例中MCU还通过接收放大电路连接模拟开关的输出端，当换能器A或者换能器B采集到超声波信号时，通过模拟开关和接收放大电路发送到MCU，实现对顺流信号和逆流信号的采集。作为其他实施方式，也可将MCU通过两个接收放大电路分别连接换能器A和换能器B。

本实施例中的接收放大电路实际上是一种采样电路，具有一定的信号放大作用，因此作为接收放大电路。

本实施例中的换能器A和换能器B采用同样的换能器，包括超声波发射模块和超声波接收模块，模拟开关连接换能器A的超声波发射模块和超声波接收模块，还连接换能器B的超声波发射模块和超声波接收模块，通过控制模拟开关的切换端可以实现MCU生成的PWM波先从换能器A发射，然后从换能器B发射。当换能器A将PWM波转换成超声波发射到流道中时，换能器B接收超声波信号；当换能器B将PWM波转换成超声波发射到流道中时，换能器A接收超声波信号。

本实施例中利用上述超声波测速装置来进行测速的流程如图5所示，包括如下步骤：

1)根据所选换能器的幅频特性，选择若干个工作频点fi。具体的，以换能器的中心频率为中心，在频带宽度范围内，选择合适的工作频率作为工作频点fi，i为工作频点的个数，i＝0，1，2，3，…，N-1。

2)在MCU中输入工作频点fi，生成对应的PWM波，作为换能器的激励信号，如图6所示为两个工作频点的幅度-时间特性曲线。

3)MCU控制模拟开关，使PWM波可以通过发送放大电路的放大作用，作用于换能器A的超声波发射模块，产生对应的超声波信号，超声波信号在流道中传播，被处于流道下游的换能器B接收，换能器B的超声波接收模块接收到超声波信号，经过接收放大电路，传输至MCU，此时MCU得到顺流波形UpVal。由于工作频点的数量为i，对应生成的PWM波的个数为i，因此得到的顺流波形的个数为i，即为UpVal(i)，i＝0，1，2，3，…,N-1。

MCU还控制开关模块，使同样的PWM波通过发送放大电路的放大作用，作用于换能器B的超声波发射模块，产生对应的超声波信号，在流道中传播的超声波信号被处于上游的换能器A接收，换能器A的超声波接收模块接收到超声波信号，经过接收放大电路，传输到MCU，此时MCU就得到了逆流波形DnVal。由于工作频点的数量为i，对应生成的PWM波的个数为i，因此得到的逆流波形的个数也为i，即为DnVal(i)，i＝0，1，2，3，…,N-1。

4)得到顺流波形和逆流波形后，MCU对其进行ADC采样，得到对应的顺流信号和逆流信号，采用如下公式分别计算顺流信号的相位和逆流信号的相位，包括递归公式(1)和非递归公式(2)：

式中，x(n)为采集到的顺流波形或逆流波形对应的信号序列，n＝0，1，2，3，…,N-1；Q_k(n)为递推中间量，取初始值Q_k(-2)＝Q_k(-1)＝0；N为采样点数；k为傅里叶变换结果中的一个点，可以通过如下公式进行计算：

式中，Round表示取整；N为采样点数；fi为工作频点；fs为采样频率。

对公式(1)得到的递推中间量Q_k(n)进行非递归运算，非递归运算的公式(2)为：

式中，

y_k(n)为非递推中间量。

结合递归公式(1)和非递归公式(2)，采用公式(3)计算n＝N-1时对应工作频点fi的顺流信号和逆流信号的幅频信息，

式中，X(k)为信号序列x(n)的复频域信号。

根据公式(3)取X(k)的实部和虚部，即

a＝real{X(k)},b＝imag{X(k)} (4)

对应的相位信息为：

结合上述公式(1)、(2)(3)、(4)、(5)，将顺流波形UpVal(i)对应的顺流信号序列代入，可以计算出对应的顺流波形相位：

其中

对应的是：MCU根据工作频点f0产生的PWM波作为换能器A的激励信号，发射超声波，被换能器B接收得到的顺流波形UpVal(0)，顺流波形UpVal(0)对应的信号序列经过上述计算得到的顺流波形相位

以此类推。

结合上述公式(1)、(2)(3)、(4)、(5)，将逆流波形DnVal(i)对应的逆流信号序列代入，可以计算出对应的逆流波形相位：

其中，

对应的是：MCU根据工作频点f0产生的PWM波作为换能器B的激励信号，发射超声波，被换能器A接收得到的逆流波形DnVal(0)，逆流波形DnVal(0)对应的信号序列经过上述计算得到的逆流波形相位

以此类推。

5)根据顺流波形相位和逆流波形相位，采用公式(6)计算顺逆流波形相位差：

将顺流波形相位

逆流波形相位

代入公式(6)中，可以计算出对应工作频点f0的顺逆流波形相位差

采用同样的方法，令公式(6)中的n取与i相同的数值，可以计算出对应不同工作频点fi的顺逆流波形相位差

6)根据顺逆流波形相位差，采用公式(7)计算对应工作频点fi的顺逆流时差：

式中，T为对应工作频点fi的的周期。

将顺逆流波形相位差

代入公式(7)中，可以计算出对应工作频点f0的顺逆流时差Δt(0),采用同样的方法，令公式(7)中的n取与i相同的数值，可以计算出对应不同工作频点fi的顺逆流时差Δt(n)。

根据对应不同工作频点fi的顺逆流时差Δt(n)，求平均值作为计算流速的顺逆流时差。

本实施例中，为了进一步减小误差，可对得到的若干个顺逆流时差进行相应的均值滤波，如滑动均值滤波、Kalman滤波等，也可采用其他滤波方法，减小计算误差。

7)根据顺逆流时差Δt(n)，结合流道的相关参数、换能器的安装角度就可以计算出流道中流体的流速，本实施例中结合图4中换能器的设置方式，采用公式(8)计算流道中流体的流速：

式中，c为流体中的声速，c＞＞v，L为超声波传播距离，θ为超声波传播路径相对于流道的传播角度。

本实施例中，仅是针对图4中换能器的设置方式，采用公式(8)对流体流速进行计算，在使用本发明的超声波测速装置对流速进行检测时，本领域技术人员能在公式(1)～(7)的基础上计算出时差，同时根据换能器的设置方式和流道的参数自行设置流速计算公式，从而计算出流体流速。关于计算流体流速的细节可参考国际标准ISO6416-1992中关于超声(声)波法测流的基本原理。

采用本发明的超声波测速装置，对MCU的要求低，不受专用芯片的限制，增大了MCU芯片的选择范围；由于采用的算法简单，缩短了测试时间，降低功耗。

方法实施例：

本实施例给出了一种超声波测速方法，采用上述装置实施例中的超声波测速装置，包括如下步骤：

1)根据所选换能器的幅频特性，选择若干个工作频点fi。

2)在MCU中输入工作频点fi，生成对应的PWM波，作为换能器的激励信号。

3)MCU控制模拟开关，通过步骤2)的PWM波依次对换能器A和换能器B进行激励，产生同频率的超声波信号，并由换能器B和换能器A对应接收，采集相应的顺流波形和逆流波形。

4)得到顺流波形和逆流波形后，根据装置实施例中的公式(1)～(7)计算顺逆流时差。

5)根据顺逆流时差,结合相关参数,计算流道中流体的流速。

各步骤的实现在装置实施例中已经介绍的清楚明白，此处不再赘述。

采用本发明的超声波测速方法时，采样点少，算法简单，无复杂的频域变换，不需要采用复杂的插值算法或互相关算法等，仅需要N次实数乘法，以及1次复数乘法，运算量明显减少。

Claims (10)

1.一种超声波测速方法，采用两个换能器进行测速，分别为安装在流道上游的第一换能器和安装在流道下游的第二换能器，其特征在于，所述超声波测速方法包括如下步骤：

1)根据换能器的幅频特性，选择至少两个工作频点fi；

2)生成对应各工作频点fi的PWM波，将相同的PWM波作为第一换能器和第二换能器的激励信号；

3)在激励信号的作用下，第一换能器发射超声波，由第二换能器接收，得到顺流波形；第二换能器发射超声波，由第一换能器接收，得到逆流波形；

4)计算顺流波形相位和逆流波形相位，将顺流波形相位与逆流波形相位的差值作为顺逆流波形相位差；

5)根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差；

6)重复步骤3)～5)，得到对应各工作频点fi的顺逆流时差；

7)根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速。

2.根据权利要求1所述的超声波测速方法，其特征在于，步骤4)中，计算顺流波形相位和逆流波形相位的方法包括如下步骤：

1)对顺流波形和逆流波形对应的顺流信号和逆流信号进行递归运算，递归运算的公式为：

式中，x(n)为对应顺流波形或逆流波形的信号序列；n＝0，1，2，3，…,N-1；N为采样点数；Q_k(n)为递推中间量，取初始值

Round表示取整；fs为采样频率；

2)对递推中间量Q_k(n)进行非递归运算，非递归运算的公式为：

式中，

y_k(n)为非递推中间量，e为自然对数，j为虚数符号；

3)根据如下公式计算n＝N-1时对应工作频点fi的顺流信号和逆流信号的幅频信息：

式中，X(k)为对应x(n)的幅频信息；

4)根据如下公式计算顺流波形相位和逆流波形相位：

式中，a为X(k)的实部，b为X(k)的虚部，

为对应的顺流波形相位或逆流波形相位。

3.根据权利要求2所述的超声波测速方法，其特征在于，根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差的公式为：

式中，Δt(n)为顺逆流时差，T为对应工作频点fi的的周期；

为顺逆流波形相位差。

4.根据权利要求3所述的超声波测速方法，其特征在于，根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速v的公式为：

式中，c为流体中的声速，L为超声波传播距离，θ为超声波传播路径相对于流道的传播角度。

5.根据权利要求1所述的超声波测速方法，其特征在于，步骤7)中，对得到的各顺逆流时差进行均值滤波，然后采用时差法计算流道中流体的流速。

6.一种超声波测速装置，其特征在于，包括MCU和分别为安装在流道上游的第一换能器和安装在流道下游的第二换能器，还包括模拟开关，MCU通过发送放大电路和接收放大电路连接模拟开关，模拟开关连接第一换能器和第二换能器，MCU还控制连接模拟开关；所述MCU执行指令实现如下超声波测速方法，所述超声波测速方法包括如下步骤：

1)生成对应各工作频点fi的PWM波，将相同的PWM波作为第一换能器和第二换能器的激励信号；

2)控制模拟开关，激励第一换能器产生超声波信号，接收第二换能器接收到的超声波信号，得到顺流波形；激励第二换能器产生超声波信号，接收第一换能器接收到的超声波信号，得到逆流波形；

3)计算顺流波形相位和逆流波形相位，将顺流波形相位与逆流波形相位的差值作为顺逆流波形相位差；

4)根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差；

5)重复步骤2)～4)，得到对应各工作频点fi的顺逆流时差；

6)根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速。

7.根据权利要求6所述的超声波测速装置，其特征在于，步骤3)中，计算顺流波形相位和逆流波形相位的方法包括如下步骤：

1)对顺流波形和逆流波形对应的顺流信号和逆流信号进行递归运算，递归运算的公式为：

式中，x(n)为对应顺流波形或逆流波形的信号序列；n＝0，1，2，3，…,N-1；N为采样点数；Q_k(n)为递推中间量，取初始值Q_k(-2)＝Q_k(-1)＝0；

Round表示取整；fs为采样频率；

2)对递推中间量Q_k(n)进行非递归运算，非递归运算的公式为：

式中，

y_k(n)为非递推中间量，e为自然对数，j为虚数符号；

3)根据如下公式计算n＝N-1时对应工作频点fi的顺流信号和逆流信号的幅频信息：

式中，X(k)为对应x(n)的幅频信息；

4)根据如下公式计算顺流波形相位和逆流波形相位：

式中，a为X(k)的实部，b为X(k)的虚部，

为对应的顺流波形相位或逆流波形相位。

8.根据权利要求7所述的超声波测速装置，其特征在于，根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差的公式为：

式中，Δt(n)为顺逆流时差，T为对应工作频点fi的的周期；

为顺逆流波形相位差。

9.根据权利要求8所述的超声波测速装置，其特征在于，根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速v的公式为：

式中，c为流体中的声速，L为超声波传播距离，θ为超声波传播路径相对于流道的传播角度。

10.根据权利要求6所述的超声波测速装置，其特征在于，步骤6)中，对得到的各顺逆流时差进行均值滤波，然后采用时差法计算流道中流体的流速。

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