CN115031798A - 一种基于非对称双声道布局消除渡越时间跳波影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非对称双声道布局消除渡越时间跳波影响的方法，属于超声波气体流速、流量测量技术领域。本发明采用非对称的方式进行超声波双声道布置，各声道连线的长度在管道壁方向上的投影长度呈

倍的关系。具体步骤为：S1、分别对各声道进行流速计算；S2、结合渡越时间、超声波换能器频率和顺、逆流跳波周期数，计算出各声道真实流速值的可取值，并构建成两个集合；将两个集合中的所有元素相减后取绝对值，构成新集合；找出新集合中的最小值，并在两个集合中找出最小值对应的元素；S3、利用对应的元素，进行流速合成。本发明通过双声道对比判定是否出现跳波，进而进行跳波修正，不依赖于超声波换能器的性能，即可消除跳波影响。

Description

一种基于非对称双声道布局消除渡越时间跳波影响的方法

技术领域

本发明属于超声波气体流速、流量测量技术领域，涉及一种基于非对称声道布局消除渡越时间跳波影响的方法。

背景技术

基于超声波时差法能够实现风速风向、流速流量的测量，具有环境温度影响小，低下限、宽量程、精度高、线性度好、无压损等优点，目前逐渐成为气象、精准计量领域的主流技术。超声波时差法最为重要的是对超声波顺逆流渡越时间进行测量，常规方法都会出现跳波现象，常用编码激励法增强超声波信号特征，减小跳波发生频率。

而编码激励方法与超声波换能器本身特性及一致性要求较高，惯性较大的换能器实施该方法后其特征不明显，不能有效降低跳波现象。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于非对称双声道布局消除渡越时间跳波影响的方法，对跳波进行修正，有效消除跳波对流速测量的偏差影响。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

采用非对称的方式进行超声波双声道布置，设置双声道为A、B声道，各声道超声波换能器为同一型号，保证超声波换能器的性能相同或接近，减小误差。A、B声道中超声波换能器连线的长度在管道壁方向上的投影长度呈

倍的关系，即：

其中，L₁为A声道超声波换能器之间的间距，L₂为B声道超声波换能器之间的间距，

β分别为A、B声道超声波换能器连线与管道壁之间的夹角；

该方法具体包括以下步骤：

S1、分别计算A声道的流速V_A和B声道的流速V_B；

S2、结合渡越时间、超声波换能器频率和顺、逆流跳波周期数，计算出V_A、V_B的可取值，并构建成集合M、N，其中V_A、V_B分别为A、B声道的真实流速值；将集合M、N中的所有元素相减后取绝对值，构成集合Q；找出集合Q中的最小值，并在集合M、N中找出最小值对应的元素；

S3、利用步骤S2中集合Q的最小值对应的集合M、N中的元素，进行流速合成。

进一步，在步骤S1中，采用下式进行流速计算：

其中，t_A1、t_B1分别为A、B声道超声波换能器测得的顺流渡越时间，同理，t_A2、t_B2为逆流渡越时间，Δt_A为A声道的顺、逆流渡越时间差，Δt_B为B声道的顺、逆流渡越时间差，且有：

进一步，在步骤S2中，对于流速V_A计算其真实值V_A，首先结合超声波换能器频率f，顺、逆流跳波周期数p、q，以及顺、逆流渡越时间t_A1、t_A2，计算顺、逆流真实渡越时间值t_A1、t_A2：

则真实流速值V_A为：

p、q的可取值有：

由于在管道超声波流量计应用场景中，渡越时间远远大于超声波换能器周期，则V_A的可取值为：

集合M为：

同理得V_B的可取值为：

集合N为：

集合M、N相减后取绝对值得到的集合Q为：

Q＝{q_(d,e)|q_(d,e)＝|m_d-n_e|,m_d∈M,n_e∈N,d＝1,2,...,5,e＝1,2,...,5}

假设q_(i,j)为集合Q中的最小值，那么集合M、N中对应的元素分别为m_i、n_j。

进一步，在步骤S3中，基于已获取的最小值q_(i,j)所对应的集合M、N中的元素m_i、n_j，进行流速合成：

其中V表示消除跳波影响后的流速。

本发明的有益效果在于：本发明采用非对称的方式进行超声波双声道布置，各声道超声波换能器为同一型号，各声道超声波换能器之间连线沿管道壁方向的投影长度呈2/3倍关系，本发明并不是直接减弱或者消除跳波现象，而是通过双声道对比判定是否出现跳波，进而进行跳波修正，该方法并不依赖于超声波换能器的性能，即可消除跳波带来的流速测量偏差影响。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为非对称双声道布局示意图；

图2为声道A、B的真实流速可取值在直线上的分布；

图3为消除跳波影响的方法的步骤。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

如图1所示为本发明非对称双声道的布置示意，假设双声道分别为A声道、B声道，A声道包括超声波换能器A1、A2，B声道包括超声波换能器B1、B2。A1、A2之间的间距为L₁，两者连线与管道壁间的夹角为

同样的，B1、B2间距为L₂，两者连线与管道壁形成夹角β。

在进行非对称双声道布局时，要点在于：需要使得L₁在管道壁方向上的投影长度，与L₂在管道壁方向上的投影长度之间呈现

倍的数量关系，即

基于该声道布局方式进行消除渡越时间跳波的影响，如图3所示，其方式为：

1、依据式(1)分别对A、B声道进行流速计算，得到V_A、V_B：

其中，t_A1、t_B1分别为A、B声道超声波换能器测得的顺流渡越时间，同理，t_A2、t_B2分别为A、B声道的逆流渡越时间，Δt_A为A声道的顺、逆流渡越时间差，Δt_B为B声道的顺、逆流渡越时间差，且有：

2、然后结合渡越时间、超声波换能器频率和顺、逆流跳波周期数，计算出V_A、V_B的可取值，并构建成集合M、N；

由于在实际应用中，介质不均匀流动，温度、压力的变化，接收信号往往会出现抖动，在实施诸如阈值法、互相关法等渡越时间检测算法时，不可避免会出现跳波现象，因此需要先计算各声道的顺、逆流真实渡越时间值。

对于声道A，其顺、逆流真实渡越时间值t_A1、t_A2应为：

其中，p、q分别为顺、逆流跳波周期数，f为超声波换能器频率，则声道A真实流速值V_A为：

通过概率分析，跳波现象应当呈现正态分布，即跳多个波的概率较低，通过系统硬件及渡越时间算法优化，p、q均可以控制在[-1,1]区间内，即

那么V_A的可取值应为：

对于管道超声波流量计应用场景，其渡越时间远远大于超声波换能器周期，则(6)式可近似等效为

形成集合M为：

同理有声道B真实流速值V_B为：

集合N为：

3、将集合M、N中所有元素相减后取绝对值，构成集合Q，得到：

Q＝{q_(d,e)|q_(d,e)＝|m_d-n_e|,m_d∈M,n_e∈N,d＝1,2,...,5,e＝1,2,...,5} (11)

4、找出集合Q中的最小值q_(i,j)，并在集合M、N中找出最小值对应的元素m_i、n_j，根据元素m_i、n_j合成流速得到：

V即为消除跳波影响后管道内的气体流速。

下面介绍本发明中设置两声道投影长度呈现

倍关系的依据。由于声道A、B测量的均为管道内流速，故V_A≈V_B；将V_A、V_B的可能值标注在同一条直线上，则其距离最近的标注点为最大概率的真实流速，如图2所示。为保证V_A、V_B的可能值尽量拉开距离，设定：

在管道内流速为0的条件下，假设管道内声音传播速度为c，以下等式成立：

则式(13)可变形为：

式(15)即为本发明非对称双声道布局的依据，声道A、B超声波换能器连线沿管道壁方向的长度应呈

倍关系。

综上，本发明提供的基于非对称双声道布局消除渡越时间跳波影响的方法，通过双声道对比判定是否出现跳波，进而进行跳波修正，且不依赖于超声波换能器的性能，即可消除跳波带来的流速测量偏差影响。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于非对称双声道布局消除渡越时间跳波影响的方法，其特征在于：采用非对称的方式进行超声波双声道布置，设置双声道为A、B声道，A、B声道中超声波换能器连线的长度在管道壁方向上的投影长度呈

倍的关系，即：

其中，L₁为A声道超声波换能器之间的间距，L₂为B声道超声波换能器之间的间距，

β分别为A、B声道超声波换能器连线与管道壁之间的夹角；

该方法具体包括以下步骤：

S1、分别计算A声道的流速V_A和B声道的流速V_B；

S2、结合渡越时间、超声波换能器频率和顺、逆流跳波周期数，计算出V_A、V_B的可取值，并构建成集合M、N，其中V_A、V_B分别为A、B声道的真实流速值；将集合M、N中的所有元素相减后取绝对值，构成集合Q；找出集合Q中的最小值，并在集合M、N中找出最小值对应的元素；

S3、利用步骤S2中集合Q的最小值对应的集合M、N中的元素，进行流速合成。

2.根据权利要求1所述的一种基于非对称双声道布局消除渡越时间跳波影响的方法，其特征在于：在步骤S1中，采用下式进行流速计算：

其中，t_A1、t_B1分别为A、B声道超声波换能器测得的顺流渡越时间，同理，t_A2、t_B2为逆流渡越时间，Δt_A为A声道的顺、逆流渡越时间差，Δt_B为B声道的顺、逆流渡越时间差，且有：

3.根据权利要求1所述的一种基于非对称双声道布局消除渡越时间跳波影响的方法，其特征在于：在步骤S2中，对于流速V_A计算其真实值V_A，首先结合超声波换能器频率f，顺、逆流跳波周期数p、q，以及顺、逆流渡越时间t_A1、t_A2，计算顺、逆流真实渡越时间值t_A1、t_A2：

则真实流速值V_A为：

p、q的可取值有：

由于在管道超声波流量计应用场景中，渡越时间远远大于超声波换能器周期，则V_A的可取值为：

集合M为：

同理得V_B的可取值为：

集合N为：

集合M、N相减后取绝对值得到的集合Q为：

Q＝{q_(d,e)|q_(d,e)＝|m_d-n_e|,m_d∈M,n_e∈N,d＝1,2,...,5,e＝1,2,...,5}

假设q_(i,j)为集合Q中的最小值，那么集合M、N中对应的元素分别为m_i、n_j。

4.根据权利要求3所述的一种基于非对称双声道布局消除渡越时间跳波影响的方法，其特征在于：在步骤S3中，基于已获取的最小值q_(i,j)所对应的集合M、N中的元素m_i、n_j，进行流速合成：

其中V表示消除跳波影响后的流速。

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