CN114184245A - 用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，属于超声波换能器检测技术领域，首先，基于阻抗分析仪获得的阻抗扫频数据和静电容，依据阻抗、谐振频率和电容的一致性，设置限定范围进行筛选；其次，通过上位机在自动配对软件界面的对话框中设置信号幅值范围、信号幅值差和静气时间差三个约束条件，实施快速有效地自动配对，且根据所要求的配对一致性程度，适当选择相应的筛选条件和约束条件，以达到最佳配对效果或所需要的配对效果。本发明通过提高配对后信号幅度的一致性、温度特性的一致性和尽可能小的静气时间差，实施超声波换能器的快速有效地自动配对。

Description

用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法

技术领域

本发明涉及一种用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，属于超声波换能器检测技术类。

背景技术

通常用于流量计量的超声波换能器是成对使用的，流量计量的重要测量参数之一是超声波顺流与逆流传播时间差，或定义为超声波上行与下行传播时间差。当流体静止时的超声波上行与下行传播时间差即为静态时间差，当测量媒质为气体时亦称为静气时间差。其流量计量的精度很大程度上取决于该对换能器的参数一致性、温度特性的一致性和稳定性，并希望配对换能器具有较小的静气时间差，故换能器的配对至关重要。

基于换能器性能参数的配对方法有多种：方法一，换能器等效集中参数L、C、R和信号幅值配对方法；方法二，谐振频率与信号幅值配对方法，方法三，阻抗和信号幅值配对方法；方法四，静气时间差配对方法。

上述配对方法从理论上讲是可行的，但从实用角度看并不理想，且存在不足之处，其不足在于：按方法一或方法二或方法三配对后，其静气时间差不一定小；按方法四配对成功后，可能存在信号幅度差过大等问题造成某些温度范围内静气时间差偏大。实用证明，到目前为止并没有较为全面反映配对一致性的方法和较为实用的自动化配对手段。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，设置信号幅值范围、信号幅值差和静气时间差三个约束条件，提高配对后信号幅度的一致性、温度特性的一致性和尽可能小的静气时间差，实施快速有效地自动配对。本发明所采用的技术方案如下：

一种用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，包括以下步骤：

步骤1、首先，基于阻抗分析仪获得的阻抗扫频数据和静电容，依据阻抗、谐振频率和电容的一致性，设置限定范围进行筛选；

步骤2、其次，通过上位机在自动配对软件界面的对话框中设置信号幅值范围、信号幅值差和静气时间差三个约束条件，实施快速有效地自动配对，且根据所要求的配对一致性程度，适当选择相应的筛选条件和约束条件，以达到最佳配对效果或所需要的配对效果。

本发明的有益效果：

本发明通过提高配对后信号幅度的一致性、温度特性的一致性和尽可能小的静气时间差，实施超声波换能器的快速有效地自动配对。

附图说明

图1是本发明实施例的设定约束条件和将同位号换能器两两对位的流程图；

图2是本发明实施例的判断信号幅值范围、信号幅值差的流程图；

图3是本发明实施例的判断静气时间差和配对未成功的换能器依次对位的流程图；

图4是本发明实施例的换能器配对装置的整体结构示意图；

图5是本发明实施例的换能器配对装置的A结构与B结构的示意图；

图6是本发明实施例的换能器配对装置的A旋转电机和B旋转电机的示意图；

图7是本发明实施例的换能器配对装置的电子模块框图；

图中，1为A扫码枪，2为B扫码枪，3为A电子模块，4为B电子模块，5为B旋转电机，6为升降电机，7为A结构，8为B结构，9为声路管，10为A旋转电机。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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的一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，是本发明实施例的设定约束条件和将同位号换能器两两对位的流程图；如图2所示，是本发明实施例的判断信号幅值范围、信号幅值差的流程图；如图3所示，是本发明实施例的判断静气时间差和配对未成功的换能器依次对位的流程图。图1、图2和图3组成本发明实施例的利用换能器配对装置进行自动配对的完整流程，图1的最后步骤接图2的第一步骤，图2的最后步骤接图3的第一步骤。一种用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，设置信号幅值范围、信号幅值差和静气时间差三个约束条件，利用换能器配对装置实现自动配对功能，具体包括以下步骤：

（1）启动扫码功能，A结构7和B结构8上各配有一个扫码枪，可识别换能器上的二维码或条形码，扫码枪分别对各自结构上的所有位号的换能器扫码并存储其换能器位号和编号，换能器位号定义为i，i=1,2,3,…,k,…,n-1,n。

（2）进入A结构7和B结构8同位号换能器两两对位配对流程，即：A1对B1，A2对B2，…，An对Bn，设定信号幅值范围UL（最低）和UH（最高）、信号幅值差极限值ΔUmax和静气时间差极限值ΔTmax三个约束条件。

（3）运行上位机程序模块启动自动配对功能，上位机程序模块控制模拟开关，将换能器激励信号连接于A1换能器，对A1换能器激励，此时B1换能器接收、并经接收信号通道传送给模拟信号处理器，再经模拟信号处理器滤波、数控放大器放大，并可通过上位机界面调节数控放大器的增益值G使之信号幅值在所设UL~UH范围内，上位机读取当前增益值G。

（4）同时上位机通过MCU读取A1换能器被激励/B1换能器接收时接收信号幅值检测单元所获取的上行信号幅度值UPAmp；上位机控制模拟开关阵列将换能器激励信号切换于B1换能器，此时A1换能器接收并经幅值检测单元和MCU将信号幅值DOWAmp传送给上位机，并判断DOWAmp是否在UL~UH范围内，若否，则放弃该对换能器的本次配对，若是，便计算上行、下行信号幅值差ΔU=UPAmp-DOWAmp，并判断信号幅值差是否满足ΔU≤ΔUmax，若否，则放弃该对换能器的本次配对。

（5）若满足ΔU≤ΔUmax便存储该ΔU，并启动静气时间差测试功能，上位机控制开关实施换能器激励与接收切换、检测等功能，实现上行时间与下行时间差ΔT测试，即ΔT=UPTim-DOWTim，并判断时间差是否满足ΔT≤ΔTmax，若满足ΔT≤ΔTmax，上位机便存储该ΔT，同时显示配对成功的换能器位号和相关结果。若时间差不满足ΔT≤ΔTmax，便放弃本次配对。

（6）按照步骤（4）和（5）的流程，上位机控制换能器激励信号依次接入Ai换能器和Bi换能器，其中i=2,3,…,n-1,n，首先判断接收换能器的接收信号经幅值检测单元所得到的信号幅值Ui是否满足UL≤Ui≤UH，若Ui满足条件便进行收发换能器切换，此时接收换能器作为发射，发射换能器作为接收，再判断信号幅值是否满足UL≤Ui≤UH，若满足便执行并判断是否满足ΔU≤ΔUmax，若ΔU满足便执行并判断是否满足ΔT≤ΔTmax，若上述三项同时满足，便存储其Ui值、ΔU值和ΔT值，上位机存储配对成功的换能器编号、个数和配对数据并将其位号及相关结果显示于配对界面中；若其中一项不满足便放弃本次配对。

（7）当执行完步骤（6）后，根据未满足上述三个约束条件的换能器的位号，上位机启动运行机构使A结构7和B结构8上配对未成功的换能器分别依次对位，实施A结构7和B结构8上异位号换能器交叉配对流程，同时满足上述三个约束条件的换能器配对成功，上位机存储配对成功的换能器编号、个数和配对数据并将其位号和配对结果显示于配对界面中。

（8）同位号两两对位和异位号交叉配对完成后，卸下所有配对成功的换能器；未配对成功的换能器保留在原位置，用待配对换能器填补换能器空位，进行下一轮自动配对流程。

为了实现所述的一种用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，本发明实施例中专门设计了换能器配对装置，换能器配对装置包括：机械结构、电子模块和上位机程序模块。如图4所示，是本发明实施例的换能器配对装置的整体结构示意图；如图5所示，是本发明实施例的换能器配对装置的A结构与B结构的示意图；如图6所示，是本发明实施例的换能器配对装置的A旋转电机和B旋转电机的示意图。

换能器配对装置的机械结构包括两个对称结构，分别称为A结构7和B结构8，A结构7和B结构8上对称并均匀分布着n个换能器，相应换能器的序号分别为A1~An和B1~Bn，A结构7上的换能器和B结构8上的换能器之间用声路管9对接，A结构7与B结构8均由电机带动进行程控转动或升降，可实现A1~An与B1~Bn任意两个换能器两两对位，电机包括：B旋转电机5、升降电机6和A旋转电机10。A结构7的一侧设置A扫码枪1，B结构8的一侧设置B扫码枪2。

如图7所示，是本发明实施例的换能器配对装置的电子模块框图。换能器配对装置的电子模块包括：MCU处理器、换能器激励信号源、模拟开关阵列、A1~An和B1~Bn换能器接口、A1~An和B1~Bn换能器接收信号通道、模拟信号处理单元、接收信号幅值检测单元、时间检测单元、电机控制单元、扫码枪接口、上位机接口和电机控制接口。MCU处理器负责换能器配对所需要的部分控制和相关数据的处理。换能器激励信号根据换能器的工作频率提供方波激励信号。模拟开关阵列由上位机控制以实现换能器的收发转换。A1~An和B1~Bn换能器接口用于连接A1~An和B1~Bn换能器。A1~An和B1~Bn换能器接收信号通道为接收换能器信号提供传输路径。模拟信号处理单元将换能器接收到的信号进行滤波、数控放大以达到所需要的信号幅值。接收信号幅值检测单元将经过模拟信号处理单元的换能器接收信号进行幅值检测，然后传输给MCU处理器，MCU作数字滤波后再传送给上位机。时间检测单元用于检测发射换能器被激励到接收换能器接收到一定信号幅值的时间长度。电机控制单元在上位机的控制下实施相关电机的旋转或升降。扫码枪接口与扫码枪相连。上位机接口与上位机相连。电机控制接口与电机相连。电子模块包括A电子模块3和B电子模块4，A电子模块3和B电子模块4的电路结构相同。

本发明实施例的换能器配对装置的上位机程序模块，包括：配对控制模块、运行状态显示模块、配对结果显示模块和换能器列表模块，配对控制模块通过升降和旋转用于控制换能器的起始位置、旋转位置和配对位置，并且设置初始化启动、初始化停止、配对启动、配对停止和急停按钮实现人机交互，方便换能器配对操作。

本发明实施例中，（1）扫码功能，A结构7和B结构8上各配有一个扫码枪（A扫码枪1和B扫码枪2），分别对A结构7和B结构8上所有位号的换能器扫码并存储其换能器编号和位号；（2）基于阻抗分析仪获取的阻抗扫频数据和静电容对换能器进行参数一致性筛选；（3）设定信号幅值范围UL和UH、上下行信号幅值差极限值ΔUmax、上下行静气时间差极限值ΔTmax三个约束条件；（4）该配对方法根据所要求的配对一致性程度，适当选择相应的筛选条件和约束条件，以达到最佳配对效果或所需要的配对效果；（5）A结构7和B结构8上对称并均匀分布着n个换能器，A结构7和B结构8上的换能器之间用声路管9对接，A结构7与B结构8均由电机带动进行程控转动或升降，具备A结构7与B结构8上同位号换能器两两对位配对功能和异位号换能器交叉对位配对功能；（6）具有超声波上行传播幅值UPAmp检测，超声波下行传播幅值DOWAmp检测及幅值差ΔU=UPAmp-DOWAmp检测功能；（7）具有超声波上行传播时间UPTim检测，超声波下行传播时间DOWTim检测及时间差ΔT=UPTim-DOWTim检测功能；（8）具有存储与显示配对成功的换能器位号、换能器编号、相关配对数据以及未配对成功的换能器编号和相关数据等功能。

Claims (4)

1.用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基于阻抗分析仪获得的阻抗扫频数据和静电容，依据阻抗、谐振频率和电容的一致性，设置限定范围进行筛选；

步骤2、设置信号幅值范围、信号幅值差和静气时间差三个约束条件，实施快速有效地自动配对。

2.根据权利要求1所述的用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，其特征在于，设计换能器配对装置，换能器配对装置包括：机械结构、电子模块和上位机程序模块；

机械结构包括两个对称结构，分别称为A结构（7）和B结构（8），A结构（7）和B结构（8）上对称并均匀分布着n个换能器，A结构（7）上的换能器和B结构（8）上的换能器之间用声路管（9）对接，A结构（7）与B结构（8）均由电机带动进行程控转动或升降；

电子模块包括：MCU处理器、换能器激励信号源、模拟开关阵列、换能器接口、换能器接收信号通道、模拟信号处理单元、接收信号幅值检测单元、时间检测单元、电机控制单元、扫码枪接口、上位机接口和电机控制接口，MCU处理器负责换能器配对所需要的控制和数据的处理，换能器激励信号根据换能器的工作频率提供方波激励信号，模拟信号处理单元将换能器接收到的信号进行滤波、数控放大以达到所需要的信号幅值；

上位机程序模块包括：配对控制模块、运行状态显示模块、配对结果显示模块和换能器列表模块，配对控制模块通过升降和旋转用于控制换能器的起始位置、旋转位置和配对位置。

3.根据权利要求2所述的用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

（1）启动扫码功能，扫码枪分别对各自结构上的所有位号的换能器扫码并存储其换能器位号和编号，换能器位号定义为i，i=1,2,3,…,k,…,n-1,n；

（2）进入A结构（7）和B结构（8）同位号换能器两两对位配对流程，设定信号幅值范围UL和UH、信号幅值差极限值ΔUmax和静气时间差极限值ΔTmax三个约束条件；

（3）运行上位机程序模块启动自动配对功能，上位机程序模块控制模拟开关，将换能器激励信号连接于A1换能器，对A1换能器激励，此时B1换能器接收、并经接收信号通道传送给模拟信号处理器，再经模拟信号处理器滤波、数控放大器放大，并通过上位机界面调节数控放大器的增益值G使之信号幅值在所设UL~UH范围内，上位机读取当前增益值G；

（4）同时上位机通过MCU读取A1换能器被激励/B1换能器接收时接收信号幅值检测单元所获取的上行信号幅度值UPAmp；上位机控制模拟开关阵列将换能器激励信号切换于B1换能器，此时A1换能器接收并经幅值检测单元和MCU将信号幅值DOWAmp传送给上位机，并判断DOWAmp是否在UL~UH范围内，若否，则放弃该对换能器的本次配对，若是，便计算上行、下行信号幅值差ΔU=UPAmp-DOWAmp，并判断信号幅值差是否满足ΔU≤ΔUmax，若否，则放弃该对换能器的本次配对；

（5）若满足ΔU≤ΔUmax便存储该ΔU，并启动静气时间差测试功能，上位机控制开关实施换能器激励与接收切换、检测功能，实现上行时间与下行时间差ΔT测试，即ΔT=UPTim-DOWTim，并判断时间差是否满足ΔT≤ΔTmax，若满足ΔT≤ΔTmax，上位机便存储该ΔT，同时显示配对成功的换能器位号和相关结果，若时间差不满足ΔT≤ΔTmax，便放弃本次配对；

（6）按照步骤（4）和（5）的流程，上位机控制换能器激励信号依次接入Ai换能器和Bi换能器，其中i=2,3,…,n-1,n，首先判断接收换能器的接收信号经幅值检测单元所得到的信号幅值Ui是否满足UL≤Ui≤UH，若Ui满足条件便进行收发换能器切换，此时接收换能器作为发射，发射换能器作为接收，再判断信号幅值是否满足UL≤Ui≤UH，若满足便执行并判断是否满足ΔU≤ΔUmax，若ΔU满足便执行并判断是否满足ΔT≤ΔTmax，若上述三项同时满足，便存储其Ui值、ΔU值和ΔT值，上位机存储配对成功的换能器编号、个数和配对数据并将其位号及相关结果显示于配对界面中；若其中一项不满足便放弃本次配对；

（7）当执行完步骤（6）后，根据未满足上述三个约束条件的换能器的位号，上位机启动运行机构使A结构（7）和B结构（8）上配对未成功的换能器分别依次对位，实施A结构（7）和B结构（8）上异位号换能器交叉配对流程，同时满足上述三个约束条件的换能器配对成功，上位机存储配对成功的换能器编号、个数和配对数据并将其位号和配对结果显示于配对界面中；

（8）同位号两两对位和异位号交叉配对完成后，卸下所有配对成功的换能器；未配对成功的换能器保留在原位置，用待配对换能器填补换能器空位，进行下一轮自动配对流程。

4.根据权利要求2所述的用于燃气计量的超声波换能器自动配对方法，其特征在于，上位机程序模块设置初始化启动、初始化停止、配对启动、配对停止和急停按钮。

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