CN115077639A - 用于超声波流量计的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于超声波流量计的测量方法。通过MCU控制脉冲发生电路发出激励信号，模拟开关切换到第一超声波换能器，第一超声波换能器根据激励信号激发出超声波，第二超声波换能器接收超声波并产生正弦波电信号；正弦波电信号通过模拟开关发送到接收信号处理电路，接收信号处理电路对正弦波电信号进行放大滤波；比较及过零触发电路将放大滤波后的正弦波电信号变成方波；高精度计时电路根据方波计算得到超声波顺程飞行时间，将超声波顺程飞行时间发送至MCU；同理计算得到超声波逆程飞行时间，将超声波逆程飞行时间发送至MCU；可精确测量超声波在气体中的飞行时间，即可得到准确时间差并计算流速。

Description

用于超声波流量计的测量方法
技术领域
本发明涉及超声波气体流量计时差法测量技术领域，尤其涉及一种用于超声波流量计的测量方法。
背景技术
现行超声波流量计的设计绝大部分使用时差法进行流量的测量。时差法是利用一对超声波换能器收发超声波，通过测量超声波在流体中顺流和逆流传播的时间差，根据时间差来计算气体的流速。该方法具有操作简便、测量精度高、对管径适应性强等优点。时差法一般采用一个固定的比较阈值触发加过零检测的方法，其要求比较阈值对应的波不能有错波。这就需要接收波的波幅值要稳定，不能有太大的波动。但实际情况下，相比于液体，气体的密度较小，分子间距较大，超声波在传播过程中衰减严重，特别是在大流量，高低温，高低压，接收波的信号变化是相当大的。这种情况下，很难实现接收波的不错波，从而影响准确测量。对此，现有技术一般采用自动增益或通过判断信号幅值大小调整比较阈值等方法，但由于这些方法均存在采样滞后性，运行过程中产生干扰或掉电重启后，信号基准经常会产生丢失或错误等问题，造成测量不准甚至乱数等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于超声波流量计的测量方法，以解决现有解决气体时差法超声波测量错波问题的方法存在采样滞后性，运行过程中产生干扰或掉电重启后，信号基准经常会产生丢失或错误等问题，造成测量不准甚至乱数的问题。
本发明提供一种用于超声波流量计的测量方法，包括：
MCU控制脉冲发生电路发出激励信号，所述激励信号包括L个与第一超声波换能器和第二超声波换能器的谐振频率相匹配的正常方波，以及m个比所述谐振频率低的宽波方波；
模拟开关切换到第一超声波换能器，第一超声波换能器根据所述激励信号激发出超声波，第二超声波换能器接收所述超声波并产生正弦波电信号；
正弦波电信号通过模拟开关发送到接收信号处理电路，接收信号处理电路对所述正弦波电信号进行放大滤波；
比较及过零触发电路将放大滤波后的正弦波电信号变成方波；
高精度计时电路根据所述方波计算得到超声波顺程飞行时间，将所述超声波顺程飞行时间发送至MCU；
模拟开关切换第一超声波换能器和第二超声波换能器的超声波收发顺序后，重复执行所有前述步骤，使得高精度计时电路计算得到超声波逆程飞行时间，将所述超声波逆程飞行时间发送至MCU；
MCU根据所述超声波顺程飞行时间和所述超声波逆程飞行时间计算超声波流量计流速。
进一步地，所述宽波方波的周期为所述正常方波的周期增加1/4~1/8波长。
进一步地，高精度计时电路计算超声波顺程飞行时间、超声波逆程飞行时间时，在所述方波中延后数个波，在第u个有效波后再测s个波，根据所述s个波的飞行时间平均值，计算超声波实际飞行时间。
进一步地，计算超声波实际飞行时间包括：
高精度计时电路接收到方波后，通过计算比较方波各脉冲的宽度&A和&B，得到正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号c；
将c与L及预设的标准正常波跳变序号n进行比较，得到并计算接收波的状态。
进一步地，将c与L及预设的标准正常波跳变序号n进行比较，得到并计算接收波的状态包括：判断c是否大于L；如果c大于L，将比较及过零触发电路的比较阈值增大1单位值。
进一步地，如果c小于或等于L，判断c是否小于u；如果c小于u，将比较及过零触发电路的比较阈值减小1单位值，超声波实际飞行时间为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。
进一步地，如果c大于或等于u，判断c是否大于n；如果c大于n，波基准右错c-n个波，将比较及过零触发电路的比较阈值增大1单位值，超声波实际飞行时间为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。
进一步地，如果c不大于n，判断c是否小于n；如果c小于n，波基准左错n-c个波，将比较及过零触发电路的比较阈值减小1单位值，超声波实际飞行时间为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。
进一步地，如果c不小于n，则c等于n，无错波，比较及过零触发电路的比较阈值不变，超声波实际飞行时间为：
Figure 394004DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。
进一步地，如果c小于s或c无限大，将比较及过零触发电路的比较阈值减小1单位值。
本发明的有益效果如下：本发明提供的一种用于超声波流量计的测量方法，可使超声波飞行时间精确、防错波。即使接收信号幅值变化较大使得接收波错多个波的情况下仍能够找到测量基准并精确测得超声波飞行时间，既而精确测量时差；该方法还能自适应地自动调整比较阈值到预设的基准位置，从而确定检测波的基准波进行准确检测。接收信号处理后转换为对应的方波，为了保证精度和重复性，对多个方波取样时间的平均，能够更加精确地测量超声波飞行时间。脉冲发送电路发出L个正常波及 m个宽波给换能器，L个正常波及 m个宽波由换能器经相关电路转换为正弦波电信号，再通过比较及过零触发电路变成方波。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种用于超声波流量计的测量方法流程图：
图2为本发明超声波飞行时间检测电路结构示意图；
图3为本发明信号检测超声波飞行时间错波原理说明图；
图4为本发明飞行时间测试计算示意图；
图5为本发明超声波飞行时间计算流程图。
图示说明：1-MCU；2-脉冲发生电路；3-模拟开关；4-第一超声波换能器；5-第二超声波换能器；6-接收信号处理电路；7-比较及过零触发电路；8-高精度计时电路。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。
请参阅图1，本发明实施例提供一种用于超声波流量计的测量方法，包括以下步骤：
步骤S101，MCU控制脉冲发生电路发出激励信号，所述激励信号包括L个与第一超声波换能器和第二超声波换能器的谐振频率相匹配的正常方波，以及m个比所述谐振频率低的宽波方波。
请参阅图2，超声波飞行时间检测电路包括MCU1、脉冲发生电路2、模拟开关3、第一超声波换能器4、第二超声波换能器5、接收信号处理电路6、比较及过零触发电路7、高精度计时电路8。
MCU控制脉冲发生电路发送L个与第一超声波换能器和第二超声波换能器谐振频率周期匹配的激励方波，即所述正常方波。紧接着再发送m个比谐振频率略低即谐振周期略长的激励方波，即所述宽波方波。宽波方波周期不可偏离谐振周期过大，否则会导致接收信号幅值过小，无法正常测量。经测试，所述宽波方波的周期为所述正常方波的周期增加1/4~1/8波长时较合适。
步骤S102，模拟开关切换到第一超声波换能器，第一超声波换能器根据所述激励信号激发出超声波，第二超声波换能器接收所述超声波并产生正弦波电信号。
步骤S103，正弦波电信号通过模拟开关发送到接收信号处理电路，接收信号处理电路对所述正弦波电信号进行放大滤波。
步骤S104，比较及过零触发电路将放大滤波后的正弦波电信号变成方波。
步骤S105，高精度计时电路根据所述方波计算得到超声波顺程飞行时间，将所述超声波顺程飞行时间发送至MCU。
请参阅图3、图4和图5，由于比较及过零触发电路的比较阈值将正弦波电信号的前几个波滤掉后，得到n个正常方波及多于m个宽波方波。由于前几个波可能不稳定，计算时延后数个波后，在第u个有效波后再测s个波，计算所述s个波的飞行时间平均值，作为实际的超声波在气体中的飞行时间。
图4中，TA0-TAn：接收的正常波由发送起始时间到接收到对应波的超声波飞行时间及序号。TAn-TBm：接收的宽波由发送起始时间到接收到对应波的超声波飞行时间及序号。TAu-TA (u+s)：接收波参与计算实际飞行时间的超声波飞行时间及序号。&A1-&An：接收有效正常波周期及序号。&B1-&Bm：接收有效宽波周期及序号。
步骤S106，模拟开关切换第一超声波换能器和第二超声波换能器的超声波收发顺序后，重复执行所有前述步骤，使得高精度计时电路计算得到超声波逆程飞行时间，将所述超声波逆程飞行时间发送至MCU。
超声波逆程飞行时间的计算方法与超声波顺程飞行时间的计算方法相同。
具体地，计算超声波实际飞行时间包括：高精度计时电路接收到方波后，通过计算比较方波各脉冲的宽度&A和&B，得到正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号c。将c与L及预设的标准正常波跳变序号n进行比较，得到并计算接收波的状态。
具体地，将c与L及预设的标准正常波跳变序号n进行比较，得到并计算接收波的状态包括：判断c是否大于L；如果c大于L，将比较及过零触发电路的比较阈值增大1单位值。当c大于L时说明比较阈值过低，检测到了前面的干扰信号；检测错误，此次测试无效，因此应增大比较阈值。
按照初始设置，若比较阈值合适，则c应该和n相等，飞行时间为各脉冲飞行时间平均值：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
。式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。
如果c小于或等于L，判断c是否小于u；如果c小于u，将比较及过零触发电路的比较阈值减小1单位值。超声波实际飞行时间为：
Figure 49108DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。c小于u说明比较阈值过大，本次测试无效，取前一测量值。
如果c大于或等于u，判断c是否大于n；如果c大于n，波基准右错c-n个波，将比较及过零触发电路的比较阈值增大1单位值，超声波实际飞行时间为：
Figure 506634DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。无错误时，当c大于n时说明波基准右错c-n个波；
公式
Figure 134056DEST_PATH_IMAGE002
中u用u+(c-n)代替，重新计算波基准可算得实际飞行时间。右错波同时说明比较阈值过小，增加比较阈值1个单位。
如果c不大于n，判断c是否小于n；如果c小于n，波基准左错n-c个波，将比较及过零触发电路的比较阈值减小1单位值，超声波实际飞行时间为：
Figure 549993DEST_PATH_IMAGE006
。
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。无错误时，当c小于n时说明波基准左错n-c个波；
公式
Figure 895655DEST_PATH_IMAGE002
中u用u-(n-c)代替，重新计算波基准可算得实际飞行时间。左错波同时说明比较阈值过大，减小比较阈值1个单位。
如果c不小于n，则c等于n，无错波，比较及过零触发电路的比较阈值不变，超声波实际飞行时间为：
Figure 925183DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号。按照初始设置，若比较阈值合适则c应该和n相等，飞行时间为各脉冲飞行时间平均值，TA表示求总平均数。
如果c小于s或c无限大（未检测到有效方波），说明发生检测的比较阈值过大，需计算的波不够；检测错误，此次测试无效，应减小比较阈值；将比较及过零触发电路的比较阈值减小1单位值。
步骤S107，MCU根据所述超声波顺程飞行时间和所述超声波逆程飞行时间计算超声波流量计流速。
由超声波顺程飞行时间和所述超声波逆程飞行时间的时间差，并经由一定系数，计算得超声波流量计流速。顺、逆程波均采用上述方法计算飞行时间，可得到精确稳定的时间差。
通过测试超声准确的关键是需要精确测量超声波在流体中的运行时间，这样才能保证时间差测量的准确性。为保证超声波换能器接收的信号有一定幅值，一般需要脉冲发射端发送多个触发脉冲，而在接收端则也会产生对应频率的多个正弦波脉冲串。接收信号处理电路将接收到的正弦波脉冲串进行放大及滤波，并设置比较阈值及过零转换电路，将其转换为对应的方波。检测发送波时间与对应接收方波的边缘触发时间，可得到超声波的飞行时间。而为了保证精度和重复性，需对接收方波进行取样计算。取样方波可以是某一个方波，也可是多个方波取样时间的平均，本发明采用后者，能够更加精确地测量超声波飞行时间。此测量方法的关键是必有保证每次采样接收到并处理后参与时间计算的一个和多个方波应与预设的发送波序号为相同序号，不错波。
综上所述，本发明提供一种超声波气体流量计时差法的时间精确测量及比较阈值的自动调整方法，使得在流量计测试超声波飞行时间时，即使接收信号产生多个错波的情况下仍能够找到测量基准并精确测得超声波飞行时间，从而精确测量时差；同时该方法还能自适应地自动调整比较阈值到预设的基准位置，确定检测波的基准波纠正错波。提供的主要方式是采用连续发送正常波串与宽波串的方式，通过判断波长跳变点定位基准点的方式判断错波，并通过调整比较阈值的方式使错波状态恢复到正常状态。精确测量超声波在气体中的飞行时间，即可得到准确时间差并计算流速。
以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (10)

1.一种用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，包括：
MCU控制脉冲发生电路发出激励信号，所述激励信号包括L个与第一超声波换能器和第二超声波换能器的谐振频率相匹配的正常方波，以及m个比所述谐振频率低的宽波方波；
模拟开关切换到第一超声波换能器，第一超声波换能器根据所述激励信号激发出超声波，第二超声波换能器接收所述超声波并产生正弦波电信号；
正弦波电信号通过模拟开关发送到接收信号处理电路，接收信号处理电路对所述正弦波电信号进行放大滤波；
比较及过零触发电路将放大滤波后的正弦波电信号变成方波；
高精度计时电路根据所述方波计算得到超声波顺程飞行时间，将所述超声波顺程飞行时间发送至MCU；
模拟开关切换第一超声波换能器和第二超声波换能器的超声波收发顺序后，重复执行所有前述步骤，使得高精度计时电路计算得到超声波逆程飞行时间，将所述超声波逆程飞行时间发送至MCU；
MCU根据所述超声波顺程飞行时间和所述超声波逆程飞行时间计算超声波流量计流速。
2.如权利要求1所述的用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，所述宽波方波的周期为所述正常方波的周期增加1/4~1/8波长。
3.如权利要求1所述的用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，高精度计时电路计算超声波顺程飞行时间、超声波逆程飞行时间时，在所述方波中延后数个波，在第u个有效波后再测s个波，根据所述s个波的飞行时间平均值，计算超声波实际飞行时间。
4.如权利要求3所述的用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，计算超声波实际飞行时间包括：
高精度计时电路接收到方波后，通过计算比较方波各脉冲的宽度&A和&B，得到正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号c；
将c与L及预设的标准正常波跳变序号n进行比较，得到并计算接收波的状态。
5.如权利要求4所述的用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，将c与L及预设的标准正常波跳变序号n进行比较，得到并计算接收波的状态包括：判断c是否大于L；如果c大于L，将比较及过零触发电路的比较阈值增大1单位值。
6.如权利要求5所述的用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，如果c小于或等于L，判断c是否小于u；如果c小于u，将比较及过零触发电路的比较阈值减小1单位值，超声波实际飞行时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。
7.如权利要求6所述的用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，如果c大于或等于u，判断c是否大于n；如果c大于n，波基准右错c-n个波，将比较及过零触发电路的比较阈值增大1单位值，超声波实际飞行时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。
8.如权利要求7所述的用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，如果c不大于n，判断c是否小于n；如果c小于n，波基准左错n-c个波，将比较及过零触发电路的比较阈值减小1单位值，超声波实际飞行时间为：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。
9.如权利要求8所述的用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，如果c不小于n，则c等于n，无错波，比较及过零触发电路的比较阈值不变，超声波实际飞行时间为：
Figure 818524DEST_PATH_IMAGE002
；
式中，T为超声波实际飞行时间，i为循环变量，s为在第u个有效波后再测的波的数量，c为正常方波跳变到宽波方波时的有效方波序号，n为预设的标准正常波跳变序号，TA表示求总平均数。
10.如权利要求4所述的用于超声波流量计的测量方法，其特征在于，如果c小于s或c无限大，将比较及过零触发电路的比较阈值减小1单位值。
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LIDE FANG，XINYUE MA，JIXUN ZHAO，Y. FARAJ，ZIHUI WEI，YAN ZHU: "Development of a high-precision and wide-range ultrasonic water meter", 《FLOW MEASUREMENT AND INSTRUMENTATION》 *
王芳: "宽波束时差法超声波流量计的研究与设计", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *

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CN115077639B (zh) 2023-01-13

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