CN114877959A - 一种采用双频换能器的超声波流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用双频换能器的超声波流量计，包括第一双频阵列超声波换能器和第二双频阵列超声波换能器以及测量电路；第一双频阵列超声波换能器和第二双频阵列超声波换能器，分别密封安装在超声波流量计管体中；超声波流量计管体内具有横向流动的介质；第一双频阵列超声波换能器与第二双频阵列超声波换能器的中心轴线位于同一直线上；第一双频阵列超声波换能器包括第一高频换能器和第一低频换能器；第二双频阵列超声波换能器包括第二高频换能器和第二低频换能器；本发明公开的采用双频换能器的超声波流量计，利用双频超声波换能器信号周期的差别，精确测量超声波真正渡越时间，解决了超声波流量计在使用现场的测量精确度下降问题。

Description

一种采用双频换能器的超声波流量计

技术领域

本发明涉及流量测量技术领域，特别是涉及一种采用双频换能器的超声波流量计。

背景技术

超声波测量介质流速，具有精度高、压损小、安装维护方便等优点，在各行各业广泛应用。

超声波在测量介质流速时，通常采用时差测量方法。时差法的测量分辨率最高，应用最普遍。时差测量方法的原理是：通过两个超声波换能器互相收发超声波信号，测量正程与逆程的超声波飞行时间，然后计算时间的差值来计算流速V。一般采用的计算公式如下：

在公式(1)中：t_up为超声波在流体中顺流传播的时间(也叫正程超声波渡越时间)，即由换能器A发射超声波后，换能器B接收超声波所需要的时间；t_down为超声波在流体中逆流传播的时间(也叫逆程超声波渡越时间)，即由换能器B发射超声波后，换能器A接收超声波所需要的时间。D为具有两个超声波换能器的超声波流量计的管道直径；φ为超声波换能器声道与流量计中心轴的夹角。

但是，采用上述公式，需要精确测量超声波的真正飞行时间。在实际测量过程中，通常采用阈值-过零比较法对超声波信号进行采集测量，这种方法测量分辨率、精确度都很高，但是，在测量过程中，由于超声波信号的定位取决于阈值检测，当超声波信号的首波幅值低于检测阈值时，无法精确定位到超声波的真正飞行时间。

在实际应用过程中，通常采用线性回归、标准环境直接测量声速、利用回波信号测量等方法，来消除干扰的影响。但是，这些方法均无法直接在使用现场精确测量超声波的飞行时间，在现场与标准环境有差异时，流量计呈现测量精确度下降的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的技术缺陷，提供一种采用双频换能器的超声波流量计。

为此，本发明提供了一种采用双频换能器的超声波流量计，其包括第一双频阵列超声波换能器、第二双频阵列超声波换能器和超声波流量计管体以及测量电路；

第一双频阵列超声波换能器和第二双频阵列超声波换能器，分别密封安装在中空的超声波流量计管体上下两侧的预设开孔中；

超声波流量计管体内，具有横向流动的介质；

第一双频阵列超声波换能器的中心轴线，与第二双频阵列超声波换能器的中心轴线，位于同一直线上；

第一双频阵列超声波换能器，包括第一高频换能器和第一低频换能器；

第一高频换能器和第一低频换能器，设置在圆柱形的第一阵列换能器外壳中；

第一高频换能器的中心点和第一低频换能器的中心点，位于同一直线上；

第二双频阵列超声波换能器，包括第二高频换能器和第二低频换能器；

第二高频换能器和第二低频换能器，设置在圆柱形的第二阵列换能器外壳中；

第二高频换能器的中心点和第二低频换能器的中心点，位于同一直线上；

第一高频换能器的中心点和第一低频换能器的中心点之间的距离，等于第二高频换能器的中心点和第二低频换能器的中心点之间的距离；

测量电路包括：CPU模块、第一激励电路、第二激励电路、第一激励切换电路、第二激励切换电路、第一增益调整电路、第二增益调整电路、第一接收切换电路、第二接收切换电路、第一过零比较电路、第二过零比较电路、第一时间测量电路和第二时间测量电路；

所述测量电路，用于通过执行第一种工作模式或者第二种工作模式，获得超声波真正渡越时间；

其中，第一种工作模式，具体如下：

CPU模块，用于发出针对第一高频换能器的激励信号，通过控制第一激励电路和第一激励切换电路来激励第一高频换能器，同时控制第一接收切换电路、第一增益调整电路、第一过零比较电路和第一时间测量电路将第二高频换能器所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第二高频换能器所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t1，该时间间隔值t1定义为第一超声波渡越时间；

第二高频换能器，用于接收第一高频换能器发射的超声波信号；

同时，CPU模块，用于发出针对第一低频换能器的激励信号，通过控制第二激励电路和第二激励切换电路来激励第一低频换能器，同时控制第二接收切换电路、第二增益调整电路、第二过零比较电路和第二时间测量电路将第二低频换能器所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第二低频换能器所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t2，该时间间隔值t2定义为第二超声波渡越时间；

第二低频换能器，用于接收第一低频换能器发射的超声波信号；

其中，第一高频换能器与第一低频换能器采用同步激励；

根据真正超声波渡越时间的预设第一计算模式以及第一超声波渡越时间和第二超声波渡越时间，获得超声波真正渡越时间，此时超声波真正渡越时间是正程超声波渡越时间；

其中，第二种工作模式，具体如下：

CPU模块，用于发出针对第二高频换能器的激励信号，通过控制第一激励电路和第一激励切换电路来激励第二高频换能器，同时控制第一接收切换电路、第一增益调整电路、第一过零比较电路和第一时间测量电路将第一高频换能器所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第一高频换能器所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t3，该时间间隔值t3定义为第三超声波渡越时间；

此时，第二高频换能器，用于接收第一高频换能器发射的超声波信号；

同时，CPU模块，用于发出针对第二低频换能器的激励信号，通过控制第二激励电路和第二激励切换电路来激励第二低频换能器，同时控制第二接收切换电路、第二增益调整电路、第二过零比较电路和第二时间测量电路将第一低频换能器所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第一低频换能器所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t4，该时间间隔值t4定义为第四超声波渡越时间；

第一低频换能器，用于接收第二低频换能器发射的超声波信号；

第二高频换能器与第二低频换能器采用同步激励；

根据真正超声波渡越时间的预设第二计算模式以及第三超声波渡越时间和第四超声波渡越时间，获得超声波真正渡越时间，此时超声波真正渡越时间是逆程超声波渡越时间。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了一种采用双频换能器的超声波流量计，其设计科学，能够解决超声波测量流速时，无法在应用现场精确测量超声波的真正飞行时间(即超声波真正渡越时间)而导致测量精确度下降的问题，本发明利用双频超声波换能器，利用双频超声波换能器信号周期的差别，精确测量超声波信号首波的到达时间(即超声波真正渡越时间)，解决了超声波流量计在使用现场的测量精确度下降问题，具有重大的实践意义。

附图说明

图1a为本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计中，第一双频阵列超声波换能器的正面结构图；

图1b为本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计中，第一双频阵列超声波换能器的右视图；

图1c为本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计中，第二双频阵列超声波换能器的正面结构图；

图1d为本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计中，第二双频阵列超声波换能器的右视图；

图2为本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计中，超声波流量计管体的结构示意图；

图3为本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计，具体采用的测量电路的结构方框图；

图4为本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计的激励及接收信号示意图；

图5为本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计，激励及通过过零比较电路处理的波形示意图；

图6为本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计，CPU模块所执行的渡越时间测量工作流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段更容易理解，下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关申请，而非对该申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，还需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”等应做广义理解，例如，可以是固定安装，也可以是可拆卸安装。

对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

参见图1a至图6，本发明提供了一种采用双频换能器的超声波流量计，包括第一双频阵列超声波换能器100、第二双频阵列超声波换能器200和超声波流量计管体300以及测量电路；

第一双频阵列超声波换能器100和第二双频阵列超声波换能器200，分别密封安装在中空的超声波流量计管体300上下两侧的预设开孔中；

超声波流量计管体300内，具有横向流动的介质；

第一双频阵列超声波换能器100的中心轴线，与第二双频阵列超声波换能器200的中心轴线，位于同一直线上。

在本发明中，具体实现上，第一双频阵列超声波换能器100和第二双频阵列超声波换能器200的形状构造相同。

在本发明中，具体实现上，参见图1a、图1b，第一双频阵列超声波换能器100，包括第一高频换能器101和第一低频换能器102；

第一高频换能器101和第一低频换能器102，设置在圆柱形的第一阵列换能器外壳103中；

第一高频换能器101和第一低频换能器102的形状为圆柱形；

第一高频换能器101和第一低频换能器102，分别与第一换能器引线104的一端相连接；

第一高频换能器101的中心点和第一低频换能器102的中心点，位于同一直线上；

需要说明的是，第一阵列换能器外壳103，用于保护第一高频换能器101和第一低频换能器102；

需要说明的是，第一换能器引线104的另一端，用于连接预设的其他电路模块，用于供其他电路驱动和采集信号，例如如图3所示；

具体实现上，参见图1b所示，第一高频换能器101和第一低频换能器102，分别通过一个第一定位销105，与第一阵列换能器外壳103的后侧面板固定连接。

需要说明的是，第一定位销105，用来为第一高频换能器101和第一低频换能器102定位，以保证对射的同频换能器可以对正。

具体实现上，第一高频换能器101的中心频率，为第一低频换能器102中心频率的10倍以上；

第一高频换能器101中心频率的取值范围为200kHz到500kHz；

第一低频换能器102中心频率的取值范围为20kHz到50kHz。

需要说明的是，在本发明中，第一高频换能器101和第一低频换能器102这两个换能器均采用时差法测量，并使用脉冲波来对其进行激励。

同理，在本发明中，具体实现上，参见图1c、图1d，第二双频阵列超声波换能器200，包括第二高频换能器201和第二低频换能器202；

第二高频换能器201和第二低频换能器202，设置在圆柱形的第二阵列换能器外壳203中；

第二高频换能器201和第二低频换能器202的形状为圆柱形；

第二高频换能器201和第二低频换能器202，分别与第二换能器引线204的一端相连接；

第二高频换能器201的中心点和第二低频换能器202的中心点，位于同一直线上；

需要说明的是，第二阵列换能器外壳203，用于保护第二高频换能器201和第二低频换能器202；

需要说明的是，第二换能器引线204的另一端，用于连接预设的其他电路模块，用于供其他电路驱动和采集信号，例如如图3所示；

具体实现上，参见图1d所示，第二高频换能器201和第二低频换能器202，分别通过一个第二定位销205，与第二阵列换能器外壳203的后侧面板固定连接。

需要说明的是，第二定位销205，用来为第二高频换能器201和第二低频换能器202定位，以保证对射的同频换能器可以对正。

具体实现上，第二高频换能器201的中心频率，为第二低频换能器202中心频率的10倍以上；

第二高频换能器201中心频率的取值范围为200kHz到500kHz；

第二低频换能器202的中心频率的取值范围为20kHz到50kHz。

需要说明的是，在本发明中，第二高频换能器201和第二低频换能器202这两个换能器均采用时差法测量，并使用脉冲波来对其进行激励。

在本发明中，具体实现上，第一高频换能器101的中心点和第一低频换能器102的中心点之间的距离，等于第二高频换能器201的中心点和第二低频换能器202的中心点之间的距离。

具体实现上，第一高频换能器101和第二高频换能器201是相同的高频换能器；

第一高频换能器101和第二高频换能器201是现有技术成熟的换能器，例如可以采用福州大禹电子科技有限公司生产的KDYA-200-01G型换能器。

具体实现上，第一低频换能器102和第二低频换能器202是相同的低频换能器；

第一低频换能器102和第二低频换能器202是现有技术成熟的换能器，例如可以采用福州大禹电子科技有限公司生产的DYA-21-30C-F型换能器。

需要说明的是，对于本发明，在超声波流量计管体300上开孔，用来安装双频阵列超声波换能器，在开孔时，注意定位销的开孔位置，保证第一双频阵列超声波换能器100和第二双频阵列超声波换能器200这一对双频阵列换能器中具有的高频换能器与低频换能器安装在一条直线上。

在本发明中，所述测量电路包括：CPU模块、第一激励电路、第二激励电路、第一激励切换电路、第二激励切换电路、第一增益调整电路、第二增益调整电路、第一接收切换电路、第二接收切换电路、第一过零比较电路、第二过零比较电路、第一时间测量电路和第二时间测量电路；

所述测量电路，用于通过执行第一种工作模式(正程工作模式)或者第二种工作模式(逆程工作模式)，获得超声波真正渡越时间；

其中，第一种工作模式，具体如下：

CPU模块，用于发出针对第一高频换能器101的激励信号，通过控制第一激励电路和第一激励切换电路来激励第一高频换能器101，同时控制第一接收切换电路、第一增益调整电路、第一过零比较电路和第一时间测量电路将第二高频换能器201所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第二高频换能器201所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t1(定义为：等同于第一高频换能器101发射超声波信号后，第二高频换能器201接收到超声波信号所需要的时长)，该时间间隔值t1定义为第一超声波渡越时间；

第二高频换能器201，用于接收第一高频换能器101发射的超声波信号；

同时，CPU模块，用于发出针对第一低频换能器102的激励信号，通过控制第二激励电路和第二激励切换电路来激励第一低频换能器102，同时控制第二接收切换电路、第二增益调整电路、第二过零比较电路和第二时间测量电路将第二低频换能器202所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第二低频换能器202所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t2(定义为：等同于第一低频换能器102发射超声波信号后，第二低频换能器202接收到超声波信号所需要的时长)，该时间间隔值t2定义为第二超声波渡越时间；

第二低频换能器202，用于接收第一低频换能器102发射的超声波信号；

其中，第一高频换能器101与第一低频换能器102采用同步激励，由CPU模块发出针对第一高频换能器101与第一低频换能器102的同步激励信号(即针对第一高频换能器101与第一低频换能器102的激励信号是同步发出)；

根据真正超声波渡越时间的预设第一计算模式以及第一超声波渡越时间和第二超声波渡越时间，获得超声波真正渡越时间，此时超声波真正渡越时间是正程超声波渡越时间(即是第一双频阵列超声波换能器100向第二双频阵列超声波换能器200发送超声波信号后，第二双频阵列超声波换能器200接收该超声波信号所需要的时长)；

在本发明中，真正超声波渡越时间的预设第一计算模式，具体如下：

判断第二超声波渡越时间t2是否小于第一超声波渡越时间t1；

如果小于，则判断超声波真正渡越时间为t2；

如果不小于，则将t2减去该第一低频换能器102自身具有的超声波信号周期时间T，直到t2和T的差值小于t1，将此时t2和T的差值作为超声波真正渡越时间。

其中，第二种工作模式，具体如下：

CPU模块，用于发出针对第二高频换能器201的激励信号，通过控制第一激励电路和第一激励切换电路来激励第二高频换能器201，同时控制第一接收切换电路、第一增益调整电路、第一过零比较电路和第一时间测量电路将第一高频换能器101所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第一高频换能器101所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t3(定义为：等同于第二高频换能器201发射超声波信号后，第一高频换能器101接收到超声波信号所需要的时长)，该时间间隔值t3定义为第三超声波渡越时间；

此时，第二高频换能器201，用于接收第一高频换能器101发射的超声波信号；

同时，CPU模块，用于发出针对第二低频换能器202的激励信号，通过控制第二激励电路和第二激励切换电路来激励第二低频换能器202，同时控制第二接收切换电路、第二增益调整电路、第二过零比较电路和第二时间测量电路将第一低频换能器102所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第一低频换能器102所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t4(定义为：等同于第二低频换能器202发射超声波信号后，第一低频换能器102接收到超声波信号所需要的时长)，该时间间隔值t4定义为第四超声波渡越时间；

第一低频换能器102，用于接收第二低频换能器202发射的超声波信号；

第二高频换能器201与第二低频换能器202采用同步激励，由CPU模块发出针对第二高频换能器201与第二低频换能器202的同步激励信号；

根据真正超声波渡越时间的预设第二计算模式以及第三超声波渡越时间和第四超声波渡越时间，获得超声波真正渡越时间，此时超声波真正渡越时间是逆程超声波渡越时间(即是第二双频阵列超声波换能器200向第一双频阵列超声波换能器100发送超声波信号后，第一双频阵列超声波换能器100接收该超声波信号所需要的时长)；

在本发明中，真正超声波渡越时间的预设第二计算模式，具体如下：

判断第四超声波渡越时间t4是否小于第三超声波渡越时间t3；

如果小于，则判断超声波真正渡越时间为t4；如果不小于，则将t4减去第二低频换能器202自身具有的超声波信号周期时间T，直到t4和T的差值小于t3，则将此时t4和T的差值作为超声波真正渡越时间。

需要说明的是，在本发明中，具体实现上，CPU模块对第一高频换能器101和第二高频换能器201的激励操作(即第一种工作模式和第二种工作模式这两种工作模式)，可以为交替进行。

在本发明中，第一激励电路和第二激励电路，均是由电压放大电路和功率放大电路组成，可采用驱动芯片L2044G和变压器升压电路；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一激励电路，用于将CPU发出的针对第一高频换能器101的激励信号，经过电压放大和功率放大，变为具有高压和高驱动能力的、第一高频换能器101的驱动信号，然后发送给第一激励切换电路；

第二激励电路，用于将CPU发出的针对第一低频换能器102的激励信号经过电压放大和功率放大，变为具有高压和高驱动能力的、第一低频换能器102的驱动信号，然后发送给第二激励切换电路；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一激励电路，用于将CPU发出的针对第二高频换能器201的激励信号，经过电压放大和功率放大，变为具有高压和高驱动能力的、第二高频换能器201驱动信号，然后发送给第一激励切换电路；

第二激励电路，用于将CPU发出的针对第二低频换能器202的激励信号经过电压放大和功率放大，变为具有高压和高驱动能力、第二低频换能器202的驱动信号，然后发送给第二激励切换电路；

在本发明中，第一激励切换电路和第二激励切换电路，均是由继电器组成，可选用光耦继电器芯片AQW210；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一激励切换电路，用于将第一激励电路发来的第一高频换能器101的驱动信号连接到第一高频换能器101，从而激励第一高频换能器101产生超声波信号(即驱动相应的换能器产生超声波信号)；

第二激励切换电路，用于将第二激励电路发来的第一低频换能器102的驱动信号连接到第一低频换能器102，从而激励第一低频换能器102产生超声波信号(即驱动相应的换能器产生超声波信号)；

第一高频换能器101，用于将其产生的超声波信号，发送给第二高频换能器201，第二高频换能器201将其接收到的超声波信号再发送给第一接收切换电路；

第一低频换能器102，用于将其产生的超声波信号，发送给第二低频换能器202，第二低频换能器202将其接收到的超声波信号再发送给第二接收切换电路；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一激励切换电路，用于将第一激励电路发来的第二高频换能器201的驱动信号连接到第二高频换能器201，从而激励第二高频换能器201产生超声波信号(即驱动相应的换能器产生超声波信号)；

第二激励切换电路，用于将第二激励电路发来的第二低频换能器202的驱动信号连接到第二低频换能器202，从而激励第二低频换能器202产生超声波信号(即驱动相应的换能器产生超声波信号)；

第二高频换能器201，用于将其产生的超声波信号，发送给第一高频换能器101，第一高频换能器101将其接收到的超声波信号再发送给第一接收切换电路；

第二低频换能器202，用于将其产生的超声波信号，发送给第一低频换能器102，第一低频换能器102将其接收到的超声波信号再发送给第二接收切换电路；

在本发明中，第一接收切换电路和第二接收切换电路，均由模拟电子开关组成，具体可采用模拟电子开关74HC4066芯片；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一接收切换电路，用于切换第二高频换能器201接收第一高频换能器101发来的超声波信号，然后将该第二高频换能器201所接收到的超声波信号发送给第一增益调整电路(即后面的处理电路)；

第二接收切换电路，用于切换第二低频换能器202接收第一低频换能器102发来的超声波信号，然后将该第二低频换能器202所接收到的超声波信号发送给第二增益调整电路(即后面的处理电路)；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一接收切换电路，用于切换第一高频换能器101接收第二高频换能器201发来的超声波信号，然后将该第一高频换能器101所接收到的超声波信号发送给第一增益调整电路(即后面的处理电路)；

第二接收切换电路，用于切换第一低频换能器102接收第二低频换能器202发来的超声波信号，然后将该第一低频换能器102所接收到的超声波信号发送给第二增益调整电路(即后面的处理电路)；

在本发明中，第一增益调整电路和第二增益调整电路，均是由放大电路和增益调整电位器组成，具体可采用同相放大电路和数字电位器芯片AD5293组成；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一增益调整电路，用于将第一接收切换电路发来的第二高频换能器201所接收到的超声波信号的电压范围，调整(例如放大)至第一过零比较电路的电压幅值处理范围，然后发送给第一过零比较电路；例如，第一增益调整电路如果供电电压为5V，则控制输出电压幅值为3V-4V。

第二增益调整电路，用于将第二接收切换电路发来的第二低频换能器202所接收到的超声波信号的电压范围，调整(例如放大)至第二过零比较电路的电压幅值处理范围，然后发送给第二过零比较电路；例如，第二增益调整电路如果供电电压为5V，则控制输出电压幅值为3V-4V。

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一增益调整电路，用于将第一接收切换电路发来的第一高频换能器101所接收到的超声波信号的电压范围，调整(例如放大)至第一过零比较电路的电压幅值处理范围，然后发送给第一过零比较电路；例如，第一增益调整电路如果供电电压为5V，则控制输出电压幅值为3V-4V。

第二增益调整电路，用于将第二接收切换电路发来的第一低频换能器102所接收到的超声波信号的电压范围，调整(例如放大)至第二过零比较电路的电压幅值处理范围，然后发送给第二过零比较电路；例如，第二增益调整电路如果供电电压为5V，则控制输出电压幅值为3V-4V。

在本发明中，第一过零比较电路和第二过零比较电路，均是由比较器组成；第一增益调整电路的输出信号端接第一过零比较电路的同相端，第一过零比较电路的反相端接电源电压的1/2电压；第二增益调整电路的输出信号端接第二过零比较电路的同相端，第二过零比较电路的反相端接电源电压的1/2电压；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一过零比较电路，用于将第一增益调整电路发来的第二高频换能器201所接收到的超声波信号，转换为第二高频换能器201所接收到的脉冲超声波信号，然后发送给第一时间测量电路；即将类似正弦波的接收信号转换为脉冲信号，以方便后面的电路采集时间。

第二过零比较电路，用于将第二增益调整电路发来的第二低频换能器202所接收到的超声波信号，转换为第二低频换能器202所接收到的脉冲超声波信号，然后发送给第二时间测量电路；即将类似正弦波的接收信号转换为脉冲信号，以方便后面的电路采集时间。

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一过零比较电路，用于将第一增益调整电路发来的第一高频换能器101所接收到的超声波信号，转换为第一高频换能器101所接收到的脉冲超声波信号，然后发送给第一时间测量电路；即将类似正弦波的接收信号转换为脉冲信号，以方便后面的电路采集时间。

第二过零比较电路，用于将第二增益调整电路发来的第一低频换能器102所接收到的超声波信号，转换为第一低频换能器102所接收到的脉冲超声波信号，然后发送给第二时间测量电路；即将类似正弦波的接收信号转换为脉冲信号，以方便后面的电路采集时间。

在本发明中，第一时间测量电路和第二时间测量电路，均是由时间数字转换器组成，具体可使用德国ACAM公司的TDC-GP21芯片；第一时间测量电路(即时间数字转换器电路)的输入端，连接第一过零比较电路的信号输出端；第二时间测量电路的输入端，连接第二过零比较电路的信号输出端；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一时间测量电路，用于接收第一过零比较电路输出的第二高频换能器201所接收到的脉冲超声波信号，然后采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第二高频换能器201所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t1(等同于第一高频换能器101发射超声波信号后，第二高频换能器201接收到超声波信号所需要的时长)，该时间间隔值t1是第一超声波渡越时间；

第二时间测量电路，用于接收第二过零比较电路输出的第二低频换能器202所接收到的脉冲超声波信号，然后采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第二低频换能器202所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t2(等同于第一低频换能器102发射超声波信号后，第二低频换能器202接收到超声波信号所需要的时长)，该时间间隔值t2是第二超声波渡越时间；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一时间测量电路，用于接收第一过零比较电路输出的第一高频换能器101所接收到的脉冲超声波信号，然后采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第一高频换能器101所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t3(等同于第二高频换能器201发射超声波信号后，第一高频换能器101接收到超声波信号所需要的时长)，该时间间隔值t3是第三超声波渡越时间；

第二时间测量电路，用于接收第二过零比较电路输出的第一低频换能器102所接收到的脉冲超声波信号，然后采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第一低频换能器102所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t4(等同于第二低频换能器202发射超声波信号后，第一低频换能器102接收到超声波信号所需要的时长)，该时间间隔值t4是第四超声波渡越时间；

在本发明中，CPU模块，常选用单片机，具体可采用TI公司的MSP430系列芯片或意法半导体的STM32系列芯片，例如可以采用MSP430F5438A芯片或STM32F429芯片；

需要说明的是，CPU模块，用于首先控制输出同步激励信号来激励第一高频换能器101和第一低频换能器102发射超声波信号，或者输出同步激励信号来激励第二高频换能器201和第二低频换能器202发射超声波信号，并且控制第一激励切换电路激励不同的换能器，控制第一激励切换电路交替地激励第一低频换能器102和第二低频换能器202发射超声波信号，以及同时控制第一接收切换电路交替地接收第一高频换能器101和第二高频换能器201的超声波信号后，再发送给第一增益调整电路，以及控制第二接收切换电路交替地接收第一低频换能器102和第二低频换能器202发来的超声波信号后再发送给第二增益调整电路，然后，读取第一时间测量电路采集的超声波渡越时间(t1或者t3)和第二时间测量电路所采集的超声波渡越时间(t2或t4)；

在本发明中，当所述测量电路执行第一种工作模式时，CPU模块，用于在读取第一时间测量电路采集的第一超声波渡越时间t1(即时间间隔值t1)和第二时间测量电路所采集的第二超声波渡越时间t2(时间间隔值t2)后，根据渡越时间计算算法(即真正超声波渡越时间的预设第一计算模式)，计算获得消除掉测量误差的渡越时间(即真正超声波渡越时间，此时为正程超声波渡越时间)；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，CPU模块，用于在读取第一时间测量电路采集的第三超声波渡越时间(即时间间隔值t3)和第二时间测量电路所采集的第四超声波渡越时间(即时间间隔值t4)后，根据渡越时间算法(即真正超声波渡越时间的预设第二计算模式)，计算获得消除掉测量误差的渡越时间(即真正超声波渡越时间，此时为逆程超声波渡越时间)；

CPU模块，还用于在获得超声波真正渡越时间后，根据时差法超声波流量计算算法(即时差法超声波流量计算方式，见下文)，计算得到介质的流量值。

需要说明的是，在本发明中，按照时差法超声波流量计算算法，需测量到顺程超声波渡越时间(即超声波传播方向与流量方向一致时的渡越时间)，和逆程超声波渡越时间(即超声波传播方向与流量方向一致时的渡越时间)，再将正程超声波渡越时间和逆程超声波渡越时间，按时差法超声波流量计算算法(即时差法超声波流量计算方式，见下文)，计算得到介质的流量值。

在本发明中，如背景技术部分所述，超声波在测量介质流速时，通常采用时差测量方法。时差法的测量分辨率最高，应用最普遍。时差测量方法的原理是：通过两个超声波换能器互相收发超声波信号，测量正程与逆程的超声波飞行时间，然后计算时间的差值来计算流速。

在本发明中，关于按时差法超声波流量计算算法(即时差法超声波流量计算方式，见下文)计算得到介质的流量值，需要说明的是，介质的流速乘以超声波流量计管体300的内腔横截面积(该面积已知)，等于介质的流量；

在本发明中，时差法超声波流量计算算法(即时差法超声波流量计算方式)包括下面的公式(1)和公式(2)：

其中，介质的流量＝介质的流速V*超声波流量计管体300的内腔横截面积S，公式(2)；

其中，如背景技术部分的公式(1)所示，介质的流速V的计算公式具体如下：

介质的流速

在本发明中，在公式(1)中：t_up为超声波在流体中顺流传播的时间(也叫正程超声波渡越时间)，即由第一双频阵列超声波换能器100(包括第一高频换能器101和第一低频换能器102)发射超声波后，第二双频阵列超声波换能器200(包括第二高频换能器201和第二低频换能器202)接收超声波所需要的时间，即正程超声波渡越时间；

t_down为超声波在流体中逆流传播的时间(也叫逆程超声波渡越时间)，即由第二双频阵列超声波换能器200发射超声波后，第一双频阵列超声波换能器100接收超声波所需要的时间，即逆程超声波渡越时间；

D为具有第一双频阵列超声波换能器100和第二双频阵列超声波换能器200这两个超声波换能器的超声波流量计的管道直径(即超声波流量计管体300的内径)；φ为超声波换能器声道与流量计中心轴(即超声波流量计管体300的中心轴)的夹角。

在本发明中，第一高频换能器101发射超声波和对应的第二高频换能器201接收超声波的第一超声波渡越时间(即时长，也即上述的t1)，以及第一低频换能器102发射超声波和对应的第二低频换能器202接收超声波时的第二超声波渡越时间(即时长，也即上述的t2)，这两个渡越时间经过渡越时间计算算法(即真正超声波渡越时间的预设第一计算模式，如图6所示，具体可参见下面的实施例一的第三步记载)，得到正程超声波渡越时间(即是第一双频阵列超声波换能器100向第二双频阵列超声波换能器200发送超声波信号后，第二双频阵列超声波换能器200接收该超声波信号所需要的时长)；

第二高频换能器201发射超声波和对应的第一高频换能器101接收超声波的第三超声波渡越时间(即时长，也即上述的t3)，以及第二低频换能器202发射超声波和对应的第一低频换能器102接收超声波时的第四超声波渡越时间(即时长，也即上述的t4)，这两个渡越时间经过渡越时间计算算法(即真正超声波渡越时间的预设第二计算模式，具体可参见下面的实施例二的第三步记载)，得到逆程超声波渡越时间(即是第二双频阵列超声波换能器200向第一双频阵列超声波换能器100发送超声波信号后，第一双频阵列超声波换能器100接收该超声波信号所需要的时长)；

CPU模块，用于同步激励第一高频换能器101和第一低频换能器102发射超声波信号，并控制接收和处理第二高频换能器201和第二低频换能器202的超声波接收信号，经过渡越时间计算算法，得到正程超声波渡越时间；然后，CPU模块同步激励第二高频换能器201和第二低频换能器202发射超声波信号，并控制接收和处理第一高频换能器101和第一低频换能器102的超声波接收信号，经过渡越时间计算算法，得到逆程超声波渡越时间；最后，CPU模块将正程超声波渡越时间和逆程超声波渡越时间，通过时差法超声波流量计算方式计算，最终得到介质的流量值。

参见图4，图4为高频换能器(包括第一高频换能器101和第二高频换能器201)与低频换能器(包括第一低频换能器102和第二低频换能器202)激励及接收超声波信号的示意图。

在本发明中，由于超声波管体的结构保证了第一双频阵列超声波换能器100和第二双频阵列超声波换能器200的对正，所以第一高频换能器101与第二高频换能器201之间的距离，以及第一低频换能器102与第二低频换能器202之间的距离相等，而由于第一高频换能器101与第一低频换能器102、第二高频换能器201与第二低频换能器202采用同步激励，因此，在接收信号示意图上可以看到两路超声波信号的到达时刻相同。

参见图5，图5为本发明提供的采用双频换能器的超声波流量计激励及通过过零比较电路处理波形的示意图。

需要说明的是，过零比较电路是超声波流量计常用的硬件处理电路，但是为了抗干扰，在采用过零比较电路之前，需要先采用阈值比较，这样就导致信号过零比较电路处理后的波形比信号实际到达时刻滞后，从而导致信号到达时间测量存在固定误差。如图5所示，高频换能器(包括第一高频换能器101和第二高频换能器201)与低频换能器(包括第一低频换能器102和第二低频换能器202)的接收信号经过过零比较电路处理后，均出现了固定误差，CPU模块从第一时间测量电路和第二时间测量电路测量得到到达时间，通过算法处理得到真正的渡越时间，再按照时差法计算公式得到介质流量。

为了更加清楚地理解本发明，下面结合具体实施例，来说明本发明的技术方案。

实施例一。

测量电路执行第一种工作模式：参见图6，CPU模块的渡越时间测量工作流程如图6所示。当CPU模块控制对第一高频换能器101和第一低频换能器102激励(即控制第一激励电路和第二激励电路分别向第一高频换能器101和第一低频换能器102发出激励信号)，并且以第二高频换能器201、第二低频换能器202接收信号，展示了渡越时间测量的计算方式，具体渡越时间的获取工作模式如下：

第一步，参见图6，CPU模块在初始化之后，切换对第一高频换能器101、第一低频换能器102激励，而由第二高频换能器201、第二低频换能器202接收信号，同时控制同步激励第一高频换能器101和第一低频换能器102(即CPU模块向第一激励电路和第二激励电路同时发出激励信号，实现同步激励)；

第二步，从第一时间测量电路和第二时间测量电路中分别读取信号到达时间t1和t2，其中，t1为第一时间测量电路测量得到的第一高频换能器101的超声波信号到达时间(即从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到第二高频换能器201所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值，等同于第一高频换能器101发射超声波信号后，第二高频换能器201接收到超声波信号所需要的时长)，t2为第二时间测量电路测量得到的第一低频换能器102的超声波信号到达时间(即从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到第二低频换能器202所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值，等同于第一低频换能器102发射超声波信号后，第二低频换能器202接收到超声波信号所需要的时长)；

需要说明的是，由于高频换能器与低频换能器的中心频率差异，高频换能器的接收信号经过过零比较电路处理后，肯定在低频换能器接收信号的第一个周期之内，以此为原理，通过两个到达时间，计算得到真正的渡越时间。

第三步，判断第一低频换能器102的超声波信号到达时间t2是否小于第一高频换能器101的超声波信号到达时间t1；

如果小于，则判断超声波真正渡越时间(此时为正程超声波渡越时间)为t2；

如果不小于，则将t2减去该第一低频换能器102自身具有的超声波信号周期时间T，直到t2和T的差值小于t1(即t2可能减去多个T)，将此时t2和T的差值作为超声波真正渡越时间(此时为正程超声波渡越时间)。

需要说明的是，超声波信号周期时间T，即为超声波换能器的谐振周期，是一个超声波换能器的固有特性，在超声波换能器(如第一低频换能器102)的使用说明书中可查看这一参数。每一个超声波换能器只能与固定频率的激励信号产生谐振，只能将固定频率的电信号转换为同频率的超声波信号，这个信号的周期就是超声波信号周期时间T。高频超声波换能器的超声波信号频率高，所产生的超声波信号周期时间短；低频超声波换能器的超声波信号频率低，所产生的超声波信号周期时间长。

在本发明中，需要说明的是，超声波渡越时间是指从超声波换能器发射超声波开始，一直到对侧的超声波换能器接收超声波结束的时间。

需要说明的是，在时差法超声波流量测量方法中，超声波换能器与流体之间呈一个固定夹角，所以当上游的换能器发射信号，下游的换能器接收信号时，超声波传播方向与流体流动方向一致，则超声波的传播速度受流体流速影响，会比流体不流动时更快，由于超声波换能器是固定在管体上的，换能器之间的距离固定，所以此时的超声波渡越时间更短；相反，下游的换能器发射超声波信号，上游的换能器接收信号时，超声波传播速度较流体不流动时慢，超声波渡越时间会长，通过顺程超声波渡越时间和逆程超声波渡越时间之间的时间差值，可以计算得到流量值，这就是时差法超声波流量测量的原理。

而在实际测量中，由于信号测量电路的影响，没有办法直接测量到精确的超声波渡越时间，本发明通过双频超声波换能器的同步激励测量，将第一超声波渡越时间和第二超声波渡越时间(或者第三超声波渡越时间和第四超声波渡越时间)及超声波信号周期时间经过算法(如图6所示)计算，得到精确的(即真正的)超声波渡越时间，再经过现有的时差法超声波测量算法的计算，就可以得到精确的流量值。

实施例二。

测量电路执行第二种工作模式：如果CPU模块控制对第二高频换能器201、第二低频换能器202激励(即控制第一激励电路和第二激励电路分别向第二高频换能器201、第二低频换能器202发出激励信号)，并且以第一高频换能器101和第一低频换能器102接收信号，具体渡越时间的计算工作模式如下：

第一步，CPU模块在初始化之后，切换对第二高频换能器201、第二低频换能器202激励，而由第一高频换能器101、第一低频换能器102接收信号，同时控制同步激励第二高频换能器201和第二低频换能器202(即控制第一激励电路和第二激励电路同时发出激励信号)；

第二步，从第一时间测量电路和第二时间测量电路中分别读取信号到达时间t3和t4，其中，t3为第一时间测量电路测量得到的第二高频换能器201的超声波信号到达时间(即从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第一高频换能器101所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值，等同于第二高频换能器201发射超声波信号后，第一高频换能器101接收到超声波信号所需要的时长)，t4为第二时间测量电路测量得到的第二低频换能器202的超声波信号到达时间(即从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第一低频换能器102所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t4，等同于第二低频换能器202发射超声波信号后，第一低频换能器102接收到超声波信号所需要的时长)；

需要说明的是，由于高频换能器与低频换能器的中心频率差异，高频换能器的接收信号经过所述过零比较电路处理后，肯定在低频换能器接收信号的第一个周期之内，以此为原理，通过两个到达时间，计算得到真正的渡越时间。

第三步，判断第二低频换能器202的超声波信号到达时间t4是否小于第二高频换能器201的超声波信号到达时间t3；

如果小于，则判断超声波真正渡越时间(此时为逆程超声波渡越时间)为t4；

如果不小于，则将t4减去第二低频换能器202自身具有的超声波信号周期时间T，直到t4和T的差值小于t3，则将此时t4和T的差值作为超声波真正渡越时间(此时为逆程超声波渡越时间)。

需要说明的是，超声波信号周期时间T，即为超声波换能器的谐振周期，是一个超声波换能器的固有特性，在超声波换能器(如第一低频换能器102)的使用说明书中可查看这一参数。每一个超声波换能器只能与固定频率的激励信号产生谐振，只能将固定频率的电信号转换为同频率的超声波信号，这个信号的周期就是超声波信号周期时间T。高频超声波换能器的超声波信号频率高，所产生的超声波信号周期时间短；低频超声波换能器的超声波信号频率低，所产生的超声波信号周期时间长。

需要说明的是，对于本发明提供的采用双频换能器的超声波流量计，用一组(两个)阵列超声波换能器，利用高频换能器与低频换能器的频率差原理，通过同时控制激励高频换能器与低频换能器，在第一时间测量电路和第二时间测量电路测量得到两路信号的接收时间后，经过算法(即真正超声波渡越时间的预设第一计算模式或者预设第二计算模式)计算，得到真正的超声波渡越时间。然后，CPU模块再根据超声波渡越时间，经过时差法计算，得到介质流量。

需要说明的是，对于本发明，直接测量到达渡越时间，即上文中所说的第一超声波渡越时间和第二超声波渡越时间(或者第三超声波渡越时间和第四超声波渡越时间)，均存在测量误差，将两个渡越时间和超声波信号周期时间，经过图6的计算方法计算，可以得到消除测量误差的渡越时间，即真正渡越时间。

本发明的超声波流量计，消除了时差法的零点误差，又能够保证测量精确度，实用性强，能够广泛应用于超声波流量测量领域.

与现有技术相比较，本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计，具有以下的有益技术效果：

1、本发明通过同时激励高频换能器与低频换能器，并测量高频换能器与低频换能器的到达时间，通过算法，可以计算得到超声波真正的渡越时间，再按照时差法测量原理计算介质流量，从而解决了超声波流量计的现场适用性问题，使得本发明的超声波流量计可以应用到更多的工况现场，不受现场环境及干扰的影响，保证现场使用的精确度。

2、本发明提供的一种双频阵列超声波流量计，现场使用精确度高、稳定性好，应用更加广泛。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种采用双频换能器的超声波流量计，其设计科学，能够解决超声波测量流速时，无法在应用现场精确测量超声波的真正飞行时间(即超声波真正渡越时间)而导致测量精确度下降的问题，本发明利用双频超声波换能器，利用双频超声波换能器信号周期的差别，精确测量超声波信号首波的到达时间(即超声波真正渡越时间)，解决了超声波流量计在使用现场的测量精确度下降问题，具有重大的实践意义。

需要说明的是，在本发明中，超声波的真正飞行时间，就是超声波真正渡越时间，因为在电路测量中是通过CPU的同步激励脉冲作为起始基准测量的，所以对应的真正渡越时间也应该是超声波信号首波的到达时间(超声波信号是由多个周期的波形组成，首波就是第一周期波)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种采用双频换能器的超声波流量计，其特征在于，包括第一双频阵列超声波换能器(100)、第二双频阵列超声波换能器(200)和超声波流量计管体(300)以及测量电路；

第一双频阵列超声波换能器(100)和第二双频阵列超声波换能器(200)，分别密封安装在中空的超声波流量计管体(300)上下两侧的预设开孔中；

超声波流量计管体(300)内，具有横向流动的介质；

第一双频阵列超声波换能器(100)的中心轴线，与第二双频阵列超声波换能器(200)的中心轴线，位于同一直线上；

第一双频阵列超声波换能器(100)，包括第一高频换能器(101)和第一低频换能器(102)；

第一高频换能器(101)和第一低频换能器(102)，设置在圆柱形的第一阵列换能器外壳(103)中；

第一高频换能器(101)的中心点和第一低频换能器(102)的中心点，位于同一直线上；

第二双频阵列超声波换能器(200)，包括第二高频换能器(201)和第二低频换能器(202)；

第二高频换能器(201)和第二低频换能器(202)，设置在圆柱形的第二阵列换能器外壳(203)中；

第二高频换能器(201)的中心点和第二低频换能器(202)的中心点，位于同一直线上；

第一高频换能器(101)的中心点和第一低频换能器(102)的中心点之间的距离，等于第二高频换能器(201)的中心点和第二低频换能器(202)的中心点之间的距离；

测量电路包括：CPU模块、第一激励电路、第二激励电路、第一激励切换电路、第二激励切换电路、第一增益调整电路、第二增益调整电路、第一接收切换电路、第二接收切换电路、第一过零比较电路、第二过零比较电路、第一时间测量电路和第二时间测量电路；

所述测量电路，用于通过执行第一种工作模式或者第二种工作模式，获得超声波真正渡越时间；

其中，第一种工作模式，具体如下：

CPU模块，用于发出针对第一高频换能器(101)的激励信号，通过控制第一激励电路和第一激励切换电路来激励第一高频换能器(101)，同时控制第一接收切换电路、第一增益调整电路、第一过零比较电路和第一时间测量电路将第二高频换能器(201)所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第二高频换能器(201)所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t1，该时间间隔值t1定义为第一超声波渡越时间；

第二高频换能器(201)，用于接收第一高频换能器(101)发射的超声波信号；

同时，CPU模块，用于发出针对第一低频换能器(102)的激励信号，通过控制第二激励电路和第二激励切换电路来激励第一低频换能器(102)，同时控制第二接收切换电路、第二增益调整电路、第二过零比较电路和第二时间测量电路将第二低频换能器(202)所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第二低频换能器(202)所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t2，该时间间隔值t2定义为第二超声波渡越时间；

第二低频换能器(202)，用于接收第一低频换能器(102)发射的超声波信号；

其中，第一高频换能器(101)与第一低频换能器(102)采用同步激励；

根据真正超声波渡越时间的预设第一计算模式以及第一超声波渡越时间和第二超声波渡越时间，获得超声波真正渡越时间，此时超声波真正渡越时间是正程超声波渡越时间；

其中，第二种工作模式，具体如下：

CPU模块，用于发出针对第二高频换能器(201)的激励信号，通过控制第一激励电路和第一激励切换电路来激励第二高频换能器(201)，同时控制第一接收切换电路、第一增益调整电路、第一过零比较电路和第一时间测量电路将第一高频换能器(101)所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第一高频换能器(101)所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t3，该时间间隔值t3定义为第三超声波渡越时间；

此时，第二高频换能器(201)，用于接收第一高频换能器(101)发射的超声波信号；

同时，CPU模块，用于发出针对第二低频换能器(202)的激励信号，通过控制第二激励电路和第二激励切换电路来激励第二低频换能器(202)，同时控制第二接收切换电路、第二增益调整电路、第二过零比较电路和第二时间测量电路将第一低频换能器(102)所接收到的超声波信号转换为脉冲超声波信号，并采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第一低频换能器(102)所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t4，该时间间隔值t4定义为第四超声波渡越时间；

第一低频换能器(102)，用于接收第二低频换能器(202)发射的超声波信号；

第二高频换能器(201)与第二低频换能器(202)采用同步激励；

根据真正超声波渡越时间的预设第二计算模式以及第三超声波渡越时间和第四超声波渡越时间，获得超声波真正渡越时间，此时超声波真正渡越时间是逆程超声波渡越时间。

2.如权利要求1所述的采用双频换能器的超声波流量计，其特征在于，在本发明中，真正超声波渡越时间的预设第一计算模式，具体如下：

判断第二超声波渡越时间t2是否小于第一超声波渡越时间t1；

如果小于，则判断超声波真正渡越时间为t2；

如果不小于，则将t2减去该第一低频换能器(102)自身具有的超声波信号周期时间T，直到t2和T的差值小于t1，将此时t2和T的差值作为超声波真正渡越时间。

3.如权利要求1所述的采用双频换能器的超声波流量计，其特征在于，真正超声波渡越时间的预设第二计算模式，具体如下：

判断第四超声波渡越时间t4是否小于第三超声波渡越时间t3；

如果小于，则判断超声波真正渡越时间为t4；如果不小于，则将t4减去第二低频换能器(202)自身具有的超声波信号周期时间T，直到t4和T的差值小于t3，则将此时t4和T的差值作为超声波真正渡越时间。

4.如权利要求1所述的采用双频换能器的超声波流量计，其特征在于，当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一激励电路，用于将CPU发出的针对第一高频换能器(101)的激励信号，经过电压放大和功率放大，变为具有第一高频换能器(101)的驱动信号，然后发送给第一激励切换电路；

第二激励电路，用于将CPU发出的针对第一低频换能器(102)的激励信号经过电压放大和功率放大，变为具有高压和高驱动能力的驱动信号，然后发送给第二激励切换电路；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一激励切换电路，用于将第一激励电路发来的第一高频换能器(101)的驱动信号连接到第一高频换能器(101)，从而激励第一高频换能器(101)产生超声波信号；

第二激励切换电路，用于将第二激励电路发来的第一低频换能器(102)的驱动信号连接到第一低频换能器(102)，从而激励第一低频换能器(102)产生超声波信号；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一高频换能器(101)，用于将其产生的超声波信号，发送给第二高频换能器(201)，第二高频换能器(201)将其接收到的超声波信号经第一接收切换电路发送给第一增益调整电路；

第一低频换能器(102)，用于将其产生的超声波信号，发送给第二低频换能器(202)，第二低频换能器(202)将其接收到的超声波信号经第二接收切换电路发送给第二增益调整电路；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一接收切换电路，用于切换第二高频换能器(201)接收第一高频换能器(101)发来的超声波信号，然后将该第二高频换能器(201)所接收到的超声波信号发送给第一增益调整电路；

第二接收切换电路，用于切换第二低频换能器(202)接收第一低频换能器(102)发来的超声波信号，然后将该第二低频换能器(202)所接收到的超声波信号发送给第二增益调整电路；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一增益调整电路，用于将第一接收切换电路发来的第二高频换能器(201)所接收到的超声波信号的电压范围，调整至第一过零比较电路的电压幅值处理范围，然后发送给第一过零比较电路；第二增益调整电路，用于将第二接收切换电路发来的第二低频换能器(202)所接收到的超声波信号的电压范围，调整至第二过零比较电路的电压幅值处理范围，然后发送给第二过零比较电路；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一过零比较电路，用于将第一增益调整电路发来的第二高频换能器(201)所接收到的超声波信号，转换为第二高频换能器(201)所接收到的脉冲超声波信号，然后发送给第一时间测量电路；

第二过零比较电路，用于将第二增益调整电路发来的第二低频换能器(202)所接收到的超声波信号，转换为第二低频换能器(202)所接收到的脉冲超声波信号，然后发送给第二时间测量电路；

当所述测量电路执行第一种工作模式时，第一时间测量电路，用于接收第一过零比较电路输出的第二高频换能器(201)所接收到的脉冲超声波信号，然后采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到所述第二高频换能器(201)所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t1，该时间间隔值t1是第一超声波渡越时间；

第二时间测量电路，用于接收第二过零比较电路输出的第二低频换能器(202)所接收到的脉冲超声波信号，然后采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第二低频换能器(202)所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t2，该时间间隔值t2是第二超声波渡越时间；

CPU模块，用于在读取第一时间测量电路采集的第一超声波渡越时间t1和第二时间测量电路所采集的第二超声波渡越时间t2后，根据真正超声波渡越时间的预设第一计算模式，计算获得真正超声波渡越时间，此时为正程超声波渡越时间。

5.如权利要求1所述的采用双频换能器的超声波流量计，其特征在于，当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一激励电路，用于将CPU发出的针对第二高频换能器(201)的激励信号，经过电压放大和功率放大，变为具有高压和高驱动能力的、第二高频换能器(201)驱动信号，然后通过第一激励切换电路发送给第一高频换能器(101)；

第二激励电路，用于将CPU发出的针对第二低频换能器(202)的激励信号经过电压放大和功率放大，变为具有第二低频换能器(202)的驱动信号，然后通过第二激励切换电路发送给第二低频换能器(202)；

第一激励切换电路，用于将第一激励电路发来的第二高频换能器(201)的驱动信号连接到第二高频换能器(201)，从而激励第二高频换能器(201)产生超声波信号；

第二激励切换电路，用于将第二激励电路发来的第二低频换能器(202)的驱动信号连接到第二低频换能器(202)，从而激励第二低频换能器(202)产生超声波信号；

第二高频换能器(201)，用于将其产生的超声波信号，发送给第一高频换能器(101)，第一高频换能器(101)将其接收到的超声波信号经第一接收切换电路发送给第一增益调整电路；

第二低频换能器(202)，用于将其产生的超声波信号，发送给第一低频换能器(102)，第一低频换能器(102)将其接收到的超声波信号经第一接收切换电路发送给第一增益调整电路；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一接收切换电路，用于切换第一高频换能器(101)接收第二高频换能器(201)发来的超声波信号，然后将该第一高频换能器(101)所接收到的超声波信号发送给第一增益调整电路；

第二接收切换电路，用于切换第一低频换能器(102)接收第二低频换能器(202)发来的超声波信号，然后将该第一低频换能器(102)所接收到的超声波信号发送给第二增益调整电路；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一增益调整电路，用于将第一接收切换电路发来的第一高频换能器(101)所接收到的超声波信号的电压范围，调整至第一过零比较电路的电压幅值处理范围，然后发送给第一过零比较电路；第二增益调整电路，用于将第二接收切换电路发来的第一低频换能器(102)所接收到的超声波信号的电压范围，调整至第二过零比较电路的电压幅值处理范围，然后发送给第二过零比较电路；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一过零比较电路，用于将第一增益调整电路发来的第一高频换能器(101)所接收到的超声波信号，转换为第一高频换能器(101)所接收到的脉冲超声波信号，然后发送给第一时间测量电路；

第二过零比较电路，用于将第二增益调整电路发来的第一低频换能器(102)所接收到的超声波信号，转换为第一低频换能器(102)所接收到的脉冲超声波信号，然后发送给第二时间测量电路；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，第一时间测量电路，用于接收第一过零比较电路输出的第一高频换能器(101)所接收到的脉冲超声波信号，然后采集从CPU模块发出激励信号的时间至第一时间测量电路接收到第一高频换能器(101)所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t3，该时间间隔值t3是第三超声波渡越时间；

第二时间测量电路，用于接收第二过零比较电路输出的第一低频换能器(102)所接收到的脉冲超声波信号，然后采集从CPU模块发出激励信号的时间至第二时间测量电路接收到所述第一低频换能器(102)所接收到的脉冲超声波信号的时间之间的时间间隔值t4，该时间间隔值t4是第四超声波渡越时间；

当所述测量电路执行第二种工作模式时，CPU模块，用于在读取第一时间测量电路采集的第三超声波渡越时间t3和第二时间测量电路所采集的第四超声波渡越时间t4后，根据真正超声波渡越时间的预设第二计算模式，计算获得真正超声波渡越时间，此时为逆程超声波渡越时间。

6.如权利要求1至5中任一项所述的采用双频换能器的超声波流量计，其特征在于，第一高频换能器(101)和第一低频换能器(102)的形状为圆柱形；

第一高频换能器(101)和第一低频换能器(102)，分别与第一换能器引线(104)的一端相连接；

第二高频换能器(201)和第二低频换能器(202)的形状为圆柱形；

第二高频换能器(201)和第二低频换能器(202)，分别与第二换能器引线(204)的一端相连接。

7.如权利要求1至5中任一项所述的采用双频换能器的超声波流量计，其特征在于，第一高频换能器(101)和第二高频换能器(201)是相同的高频换能器；

第一低频换能器(102)和第二低频换能器(202)是相同的低频换能器。

8.如权利要求1至5中任一项所述的采用双频换能器的超声波流量计，其特征在于，第一高频换能器(101)和第一低频换能器(102)，分别通过一个第一定位销(105)，与第一阵列换能器外壳(103)的后侧面板固定连接；

第二高频换能器(201)和第二低频换能器(202)，分别通过一个第二定位销(205)，与第二阵列换能器外壳(203)的后侧面板固定连接。

9.如权利要求1至5中任一项所述的采用双频换能器的超声波流量计，其特征在于，第一高频换能器(101)的中心频率，为第一低频换能器(102)中心频率的10倍以上；

第一高频换能器(101)中心频率的取值范围为200kHz到500kHz；

第一低频换能器(102)中心频率的取值范围为20kHz到50kHz；

第二高频换能器(201)的中心频率，为第二低频换能器(202)中心频率的10倍以上；

第二高频换能器(201)中心频率的取值范围为200kHz到500kHz；

第二低频换能器(202)的中心频率的取值范围为20kHz到50kHz。

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