CN114526778A - 一种超声波时差确定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波时差确定方法及系统，属于超声波测量技术领域。本发明通过对换能器设置多个频率点，利用频率不能被整除的各频率点的超声波数据确定各个频率点处对应的时差，根据各个频率点的时差、频率点的周期以及各频率点周期之间的比例系数确定超声波时差。整个过程无需复杂的计算，且对流体类型没有要求，适用性强；同时能够解决采用相位差法导致时差只能限定在本周期的缺陷，提高了声波时差的准确性。

Description

一种超声波时差确定方法及系统

技术领域

本发明涉及一种超声波时差确定方法及系统，属于超声波测量技术领域。

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，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。目前对于超声波时差的确定主要有波束偏移法、相关法、多普勒效应法等。

其中，波束偏移法的测量原理如图1所示，包括三个换能器，第一换能器1和第二换能器2的距离等于第三换能器3和第一换能器1的距离，第一换能器1沿垂直管轴线方向发射超声波，当流体静止时，第二换能器2和第三换能器3接收到的信号强度相等；当有流速时，第二换能器2和第三换能器3接收到的信号强度随流速的改变而发生改变，通过第二换能器2和第三换能器3测量的能量差实现流量的测量。该方法虽然能够实现对流量的检测，但是受换能器灵敏度、信号强度的影响比较大，适应范围小，尤其在低流速时，得到结果准确性差。

相关法主要是利用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)，对顺流接收的信号和逆流接收的信号进行互相关运算，选取使互相关值最大的对应的时延作为超声波时差。虽然该方法的抗干扰能力强，但是所需的计算量较大，对所需的硬件要求比较高。

多普勒效应的测量原理如图2所示，通过发射换能器4发出一组频率为f的超声波信号，当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)产生一个相对运动，该运动将导致超声波信号产生散射现象，此时接收换能器5接收到的散射信号，其频率为f1，发射频率f、接受频率f1以及流体流速存在一定的关系，基于该关系就可计算出流体流速。该方案虽然能够实现对流体流速的测量，且计算量小，对硬件要求不高，但是该方法要求流体中必须有固体颗粒或者气泡等，导致应用范围受限，不能用于气体计量，且要求流体中的颗粒或气泡保持良好的均匀性，否则带来的误差波动很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声波时差的确定方法及系统，以解决目前超声波时差确定过程中存在的应用范围小、计算量大的问题。

本发明为解决上述技术问题而提供一种超声波时差的确定方法，该方法包括以下步骤：

1)控制换能器工作在至少两个频率点，且至少有两个频率点之间的频率值不能被整除；

2)获取每个频率点处的顺流波形和逆流波形，并依此计算每个频率点处的顺流方向和逆流方向对应的周期内时差；

3)根据各个频率点的时差、各个频率点的周期以及各频率点周期的比例系数确定超声波时差。

本发明通过对换能器设置多个频率点，利用频率不能被整除的各频率点的超声波数据确定各个频率点处的相位差，通过相位差确定对应的时差，根据各个频率点的时差、频率点的周期以及各频率点周期之间的比例系数确定超声波时差。整个过程无需复杂的计算，且对流体类型没有要求，适用性强；同时能够解决采用相位差法导致时差只能限定在本周期的缺陷，提高了声波时差的准确性。

进一步地，为了准确确定声波时差，所述步骤3)中采用两个频率值不能被整除的频率点的时差数据进行计算，计算公式为：

Δt＝Δt1+n*T1

Δt＝Δt2+m*T2

其中Δt为所求的超声波时差，Δt1为第一频点的时差，T1为第一频点的周期，Δt2为第二频点的时差，T2为第二频点的周期，m、n均为正整数；求解上式，选取一组最小的m、n。

进一步地，所述步骤2)中各个频点时差的计算公式为：

其中，Δti为第i个频点的时差，ΔΨi为第i个频点的相位差，Ti为第i个频点的周期。

本发明还提供了一种超声波时差的确定系统，该系统包括：

换能器，所述换能器至少有两个，分别设置在待测流体流道的两侧，用于发送、接收超声波信号；

模拟开关，用于根据控制器指令，控制待测流体流道的两侧换能器工作状态切换，使一侧的换能器处于发射状态，另一侧的换能器处于接收状态；

控制器，用于控制换能器工作在至少两个频率点，且至少有两个频率点之间的频率值不能被整除；获取每个频率点处的顺流波形和逆流波形，并依此计算每个频率点处的顺流方向和逆流方向对应的周期内时差；根据各个频率点的时差、各个频率点的周期以及各频率点周期的关系确定超声波时差。

本发明利用控制器控制换能器工作在多个频率点，利用频率不能被整除的各频率点的超声波数据确定各个频率点处的相位差，通过相位差确定对应的时差，根据各个频率点的时差、频率点的周期以及各频率点周期之间的比例系数确定超声波时差。整个过程无需复杂的计算，降低了对控制器的硬件要求，且对流体类型没有要求，适用性强；同时能够解决采用相位差法导致时差只能限定在本周期的缺陷，提高了声波时差的准确性。

进一步地，为了准确确定声波时差，所述控制器采用两个频率值不能被整除的频率点的时差数据进行计算，计算公式为：

Δt＝Δt1+n*T1

Δt＝Δt2+m*T2

其中Δt为所求的超声波时差，Δt1为第一频点的时差，T1为第一频点的周期，Δt2为第二频点的时差，T2为第二频点的周期，m、n均为正整数；求解上式，选取一组最小的m、n。

进一步地，为了保证换能器发射信号和接收信号的准确性，该系统还包括发送放大电路和接收放大电路，发送放大电路和接收放大电路均与控制器和换能器连接，所述发送放大电路用于对激发换能器的激励信号进行放大处理，所述接收放大电路用于对换能器接收到的超声波信号进行放大处理。

进一步地，各个频点时差的计算公式为：

其中，Δti为第i个频点的时差，ΔΨi为第i个频点的相位差，Ti为第i个频点的周期。

进一步地，所述的换能器有两个，分别设置在待测流体流道的两侧，分别处于不同的工作状态。

进一步地，为提高对换能器控制的准确性，所述控制器采用PWM信号控制换能器。

附图说明

图1是现有波束偏移法测量原理示意图；

图2是现有多普勒效应法测量原理示意图；

图3是本发明超声波时差的确定系统的结构框图；

图4是本发明系统实施例中两个频率点处采集到的超声波数据的波形示意图；

图5是本发明正弦波周期和相位对应关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步地说明。

系统实施例

本发明的超声波时差确定系统如图3所示，包括主控MCU、模拟开关、发送放大电路、接收放大电路、模拟开关以及设置气体流道两侧的换能器A和换能器B，换能器A和换能器B通过模拟开关均与发送放大电路和接收放大电路连接，模拟开关由主控MCU控制，在主控MCU控制下使得换能器A可以作为发射换能器，也可以作为接收换能器；同样，换能器B可以作为接收换能器，也可以作为发射换能器；当换能器A作为发射换能器时，主控MCU控制模拟开关使换能器A与发送放大电路连通，换能器B与接收放大电路连通，主控MCU发送激励信号，经过发送放大电路处理后发送给换能器A，换能器A接收到该激励信号后发射超声波信号，在气体流道另一侧的换能器B在延时一定时间时间后会接收到相应的超声波信号，经接收放大电路处理后发送给主控MCU，主控MCU能够根据接收到信号进行处理，具体过程如下。

根据所用换能器的幅频特性，选取几个最佳频率点，其中至少有两个频率值不能被整除；主控MCU根据所选的频率点依次产生相应的PWM波，作为发射换能器的激励信号，激发发射换能器发射超声波信号，从接收换能器中采集顺、逆流波形，选取波形中相对平稳部分的数据段，分别计算对应频点的顺、逆流的相位差，根据相位差确定对应的时差，综合各频点的时差确定超声波在待测流体中的时差。其中换能器的最佳频率范围是根据不同厂家提供的换能器手册内的幅频图得到。

假设本实施例中的频点个数为两个，对应的频率分别分为f1和f2，且f1和f2之间不是整数倍的关系，对于第一个频点而言，采集到的的顺流波形数据和逆流波形数据分别为UpVal(i)和DnVal(i)，i＝0,1,2,……,N-1，如图4所示，从波形数据中选取相对平稳的数据段进行顺流和逆流之间周期时差信息，计算方法可采用FFT算法、Goertzel算法等，计算公式如下：

其中Δti为第i个频点的时差，ΔΨi为第i个频点的相位差，Ti为第i个频点的周期。通过上述计算过程，可以计算出各个频点对应的顺流方向相位与逆流方向相位之间的相位差ΔΨ1、ΔΨ2、ΔΨ3……,以及对应的时差信息Δt1、Δt2、Δt3……。

正弦波的一个周期[0,T]，对应的相位为范围为[0,2π],由于正弦波的周期特性，同一频点所求的相位差的范围只能在[-π,π]内，对应的时差范围也只能在

内，如图5所示。而实际通气量可大可小，导致时差值可能超过上述范围，因此，只利用单个频点的得到时差是不准确的，不能完成全范围的测量，因此本发明利用频点之间的比例关系，扩大时差的范围，对本实施例而言，假设频点1的周期为T1，频点2的周期为T2，且两者的比例系数k＝T1/T2，且k为非整数：

肯定能够存在整数m、n使得Δt与Δt1和Δt2满足如下关系：

Δt＝Δt1+n*T1

Δt＝Δt2+m*T2

其中Δt为所求的超声波时差，Δt1为第一频点的时差，T1为第一频点的周期，Δt2为第二频点的时差，T2为第二频点的周期，求解出m、n，选取其中一组最小的m和n,确定出对应的时差，通过该方式，可将原本只能计算周期内的时差，扩展到多个周期，即时差的范围为：0≤Δt≤m*T2。

为说明本发明的可行性，挑选的两个频点为200Khz,192kHz，利用本发明所用的方法，可计算的时差范围为-62.5us到62.5us。

因此，本发明可以通过各个频点在对应周期内的时差数据，综合确定出最终的时差数据。整个过程中参与运算的采样点数少，运算量小，算法简单，不需要复杂的变换和插值算法。

方法实施例

本发明控制换能器工作在至少两个频率点，且至少有两个频率点之间的频率值不能被整除；首先获取每个频率点处的顺流波形和逆流波形，并依此计算每个频率点处的顺流方向相位和逆流方向相位之间的相位差，根据所述相位差确定对应的时差；然后根据各个频率点的时差、各个频率点的周期以及各频率点周期的比例系数确定超声波时差。该方法具体的实现过程已在系统实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

Claims (9)

1.一种超声波时差的确定方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)控制换能器工作在至少两个频率点，且至少有两个频率点之间的频率值不能被整除；

2)获取每个频率点处的顺流波形和逆流波形，并依此计算每个频率点处的顺流方向和逆流对应的周期内时差；

3)根据各个频率点的时差、各个频率点的周期以及各频率点周期的比例系数确定超声波时差。

2.根据权利要求1所述的超声波时差的确定方法，其特征在于，所述步骤3)中采用两个频率值不能被整除的频率点的时差数据进行计算，计算公式为：

Δt＝Δt1+n*T1

Δt＝Δt2+m*T2

其中Δt为所求的超声波时差，Δt1为第一频点的时差，T1为第一频点的周期，Δt2为第二频点的时差，T2为第二频点的周期，m、n均为正整数；求解上式，选取一组最小的m、n。

3.根据权利要求1或2所述的超声波时差的确定方法，其特征在于，所述步骤2)中各个频点时差的计算公式为：

其中，Δti为第i个频点的时差，ΔΨi为第i个频点的相位差，Ti为第i个频点的周期。

4.一种超声波时差的确定系统，其特征在于，该系统包括：

换能器，所述换能器至少有两个，分别设置在待测流体流道的两侧，用于发送、接收超声波信号；

模拟开关，用于根据控制器指令，控制待测流体流道的两侧换能器工作状态切换，使一侧的换能器处于发射状态，另一侧的换能器处于接收状态；

控制器，用于控制换能器工作在至少两个频率点，且至少有两个频率点之间的频率值不能被整除；获取每个频率点处的顺流波形和逆流波形，并依此计算每个频率点处的顺流方向和逆流方向对应的周期内时差；根据各个频率点的时差、各个频率点的周期以及各频率点周期的比例系数确定超声波时差。

5.根据权利要求4所述的超声波时差的确定系统，其特征在于，所述控制器采用两个频率值不能被整除的频率点的时差数据进行计算，计算公式为：

Δt＝Δt1+n*T1

Δt＝Δt2+m*T2

其中Δt为所求的超声波时差，Δt1为第一频点的时差，T1为第一频点的周期，Δt2为第二频点的时差，T2为第二频点的周期，m、n均为正整数；求解上式，选取一组最小的m、n。

6.根据权利要求4或5所述的超声波时差的确定系统，其特征在于，该系统还包括发送放大电路和接收放大电路，发送放大电路和接收放大电路均与控制器和换能器连接，所述发送放大电路用于对激发换能器的激励信号进行放大处理，所述接收放大电路用于对换能器接收到的超声波信号进行放大处理。

7.根据权利要求4或5所述的超声波时差的确定系统，其特征在于，各个频点时差的计算公式为：

其中，Δti为第i个频点的时差，ΔΨi为第i个频点的相位差，Ti为第i个频点的周期。

8.根据权利要求4或5所述的超声波时差的确定系统，其特征在于，所述的换能器有两个，分别设置在待测流体流道的两侧，分别处于不同的工作状态。

9.根据权利要求4或5所述的超声波时差的确定系统，其特征在于，所述控制器采用PWM信号控制换能器。

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