CN115308434A - 一种超声波测速方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于超声波测量技术领域，具体涉及一种超声波测速方法及系统，包括：获取超声波测量待测流体流速时采样得到的顺流数据和逆流数据；分别依据顺流数据和逆流数据计算得到对应的飞行时间；依据对应的飞行时间计算得到流体速度；飞行时间的计算方法包括：依据获取的数据提取相应的包络信息，并确定对应的包络峰值；依据包络峰值设定多个电压阈值；将获取的数据分别与多个电压阈值进行比较，以得到满足条件的多个阈值点；在多个阈值点中选取两个阈值点确定出一条直线，获取直线与时间轴的交点处的时间值，确定多个时间值，求取多个时间值的均值，即得到相应的飞行时间。由此，本发明解决了现有技术测量的流体流速精确度低的问题。

Description

一种超声波测速方法及系统

技术领域

本发明属于超声波测量技术领域，具体涉及一种超声波测速方法及系统。

背景技术

超声波运用于流体速度测量是目前常用的技术之一，使用超声波进行流体速度测量相比于波束偏移法、相关法、多普勒效应法，超声波测量流速时受条件的限制比较小。比如，波束偏移法采用3个换能器，第一换能器和第二换能器的距离要等于第一换能器和第三换能器的距离。第一换能器沿垂直管轴线方向发射超声波，当流体静止时，第二换能器和第三换能器接收到的信号强度相同；当有流速时，第二换能器和第三换能器接收到的信号强度会随流速的改变而发生改变，通过第二换能器和第三换能器测量的能量差，可实现流量的测量。该波束频移法受换能器灵敏度、信号强度的影响比较大，而且在低流速时，灵敏度低，以至于得到的流体速度不准确。再如，多普勒效应法是基于散射原理的基础上进行的，要求流体中必须有固体颗粒或气泡等，导致该波束频移法不能用于气体计量且要求流体中的颗粒或气泡要保持良好的均匀性，否则带来的误差波动会很大，以至于影像流体速度的精确度。

基于上述原因，目前大多采用超声波进行流体速度的测量，比如，申请公布号为CN114526778A的中国发明专利申请文件中，公开了一种超声波时差的确定方法，该方法首先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；然后采用FFT算法、Goertzel算法等算法通过相位差确定对应的时差；最后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。该方法计算量少，但是去噪能力弱，使用该方法计算得到的流体流速精确度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波测速方法及系统，用以解决现有技术测量的流体流速精确度低的问题。

为解决上述技术问题，本发明所提供的技术方案以及技术方案对应的有益效果如下：

本发明的一种超声波测速方法，包括如下步骤：

获取超声波测量待测流体流速时采样得到的顺流数据和逆流数据；分别依据顺流数据和逆流数据计算得到对应的飞行时间；依据顺流数据对应的飞行时间和逆流数据对应的飞行时间计算得到流体速度；

所述飞行时间的计算方法包括以下步骤：

1)依据获取的数据，提取相应的包络信息，并确定对应的包络峰值；

2)依据所述包络峰值设定C个电压阈值，C≥2；将获取的数据分别与C个电压阈值按照如下条件进行比较，以得到满足所述条件的多个阈值点：

V(k)≤V_i<V(k+1)

其中，V_i表示阈值点的电压值，i∈[1,C]，V(k)表示数据中的一点，V(k+1)表示V(k)的下一个数据点，k∈[0,N-1]，N为数据采样长度；

3)依据所述多个阈值点中任两个阈值点所在的直线与时间轴的交点确定多个时间值，依据多个时间值确定相应的飞行时间。

上述技术方案的有益效果为：本发明通过对顺逆流数据，经过求取包络信息、求取包络峰值；依据包络峰值设定电压阈值，在顺逆流数据中查找在满足式子V(k)≤V_i<V(k+1)的电压值，进而确定多个阈值点；本发明通过上述条件选取的数据为对换能器施加激励信号时数据稳定上升时期的受控阶段的数据，此阶段的数据更精确，不像下降时期，受自由震荡的影响，数据误差大。然后，依据所述多个阈值点中任两个阈值点所在的直线与时间轴的交点确定多个时间值，依据多个时间值确定相应的飞行时间。最后，依据顺流数据对应的飞行时间和逆流数据对应的飞行时间计算得到流体速度。本发明首先利用接受到的顺逆流数据的包络特性并经过简单的数据处理，从而提高抗噪能力，有利于提高计算结果的准确性；一次信号可采集，可得到多组计算结果，多组结果经过简单的数据处理运算，操作简单且可提高运算的精度。本发明由于是使用的受控阶段的数据，数据精确，采样点数少，由此本发明运算量少、算法简单、对MCU要求比较低、测量耗时短以及更重要的是测量流体速度精确的一种超声波测速方法。

进一步地，在步骤2)中依据所述包络峰值设定C个电压阈值时采用如下公式进行设定：

V_i＝η*Mval

其中，Mval表示包络峰值，10％≤η≤60％。

进一步地，其特征在于：C∈[5，10]。

进一步地，步骤3)中依据所述多个阈值点中任两个阈值点所在的直线与时间轴的交点确定多个时间值时，需要确定阈值点中电压值对应的时间值，且采用线性插值法计算得到所述电压值对应的时间值。

进一步地，为了提高计算得到的流体流速的精确度，在步骤1)中提取相应的包络信息之后，还需对所述包络信息进行去噪处理以去除因噪声干扰引起的突变点。

进一步地，为了减少因信号幅值衰减引起的误差，在步骤1)中确定对应的包络峰值之前，还需对所述包络信息进行归一化处理。

进一步地，依据顺流数据对应的飞行时间和逆流数据对应的飞行时间计算得到流体速度时采用如下计算公式：

其中，v_m为流体速度，

为超声波发射点与接收点构成的直线与流道构成的夹角，L为超声波发射点与接收点之间的距离，T₁为顺流飞行时间，T₂为逆流飞行时间。

进一步地，采用滑动均值滤波或者Kalman滤波对所述包络信息进行去噪处理。

本发明的一种超声波测速系统，该系统包括多个换能器、模拟开关和主控单元，所述多个换能器分别设置在待测流体流道的两侧，且待测流体流道一侧的换能器和另一侧的换能器不能同时设置在垂直于流体流道的直线上，用于发送或者接收超声波信号；所述主控单元通过控制所述模拟开关实现对所述多个换能器工作状态的切换，使待测流体流道一侧的换能器处于发射信号状态，另一侧的换能器处于接收信号状态；所述主控单元用于执行计算机程序以实现本发明的一种超声波测速方法。

上述技术方案的有益效果为：本发明在主控单元的控制下，由待测流体流道的两侧的换能器实现对超声波信号的发送、接收工作，最后由主控单元依据接收的顺逆流波形信号计算得到流体流速。本发明通过设置的条件选取的数据为对换能器施加激励信号时数据稳定上升时期的受控阶段的数据，此阶段的数据更精确，不像下降时期，受自由震荡的影响，数据误差大。本发明由于是使用的受控阶段的数据，数据精确，参与后端算法处理的采样点数少，实时性高，由此本发明运算量少、算法简单、对MCU要求比较低、测量耗时短。

进一步地，该系统还包括信号发送放大电路和信号接收放大电路，所述信号发送放大电路和信号接收放大电路均通过模拟开关与多个换能器分别连接，所述信号发送放大电路和信号接收放大电路还均与主控单元连接，所述信号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，所述信号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。

附图说明

图1是本发明的一种超声波测速系统的结构框图；

图2是本发明的ADC采样信号以及包络信息示意图；

图3是本发明的一种超声波测速系统实施例中流道安装样例示意图；

图4是本发明的一种超声波测速方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种超声波测速系统实施例：

本发明的一种超声波测速系统实施例，如图1所示，包括主控MCU、2个换能器(图1中换能器A和换能器B)、模拟开关、信号发送放大电路、信号接收放大电路。本实施例中主控单元采用主控MCU。换能器A和换能器B设置于流道两侧且换能器A和换能器B不能同时设置在垂直于流体流道的直线上，换能器A和换能器B通过模拟开关均与信号发送放大电路和信号接收放大电路连接。模拟开关受主控MCU控制，主控MCU向模拟开关下发换能器工作状态命令，通过模拟开关控制换能器A和换能器B的工作状态。其中，换能器A和换能器B均可作为发射换能器，也均可以作为接收换能器；不过换能器A和换能器B工作状态不能相同，换能器B和换能器A的工作状态的收、发信号交替进行。具体工作过程中，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与信号发送放大电路连通，换能器B与信号接收放大电路连通，主控MCU根据换能器的特性发射不同频段的PWM做为换能器的激励信号，本实施例中激励信号可以为单频信号，也可以为多频信号；该激励信号经过信号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在延时一定时间后会接收到相应的超声波信号，经信号接收放大电路处理后再发送给主控MCU，主控MCU能够依据接收到信号使用本发明的一种超声波测速方法进行处理，以得到超声波测量待测流体的流体速度。

本发明的一种超声波测速方法具体过程如图4所示，下面结合步骤进行说明。

(A)依据所用换能器的幅频特性，选择几个最佳的频率带宽，在该带宽内主控MCU可以发送单频信号，也可以发送多频信号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、逆流信号数据。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。

每开启一组测量的时候，采集顺、逆流波形数据，分别记录为为：UpVal(i),i＝0,1,2,......,N-1；DnVal(i),i＝0,1,2,.....,N-1。其他实施例中也可以在确定流速的情况下，开启多组测量，获得多组顺、逆流信号数据。在多组顺、逆流波形数据的情况下，进行本发明的方法。

分别根据采集的顺、逆流信号数据，采用以下步骤进行相应飞行时间的计算，依据顺流信号数据确定顺流对应的飞行时间，依据逆流信号数据确定逆流对应的飞行时间。

(B)根据采集的信号数据，求取相应的包络信息，常用的信号包络提取方法有：极值法、检波滤波法、Hilbert检波法等，如图2所示。

(C)对求取的包络信号进行预处理，去除因噪声干扰引起的突变点，如滑动均值滤波，Kalman滤波等。

(D)对去噪后的包络信息进行归一化处理，然后通过简单的峰值定位算法获取包络峰值对应的采样时刻Tmax，以及相应的峰值Mval，即(Tmax，Mval)。

(E)选取包络峰值的一定百分比作为电压阈值，依据如下公式选取5到10个合适的电压阈值，：

V_i＝η*Mval

其中10％≤η≤60％。

将采样到的顺、逆流数据分别与选取的多个电压阈值进行比较，查找满足如下条件的电压阈值：

V(k)≤V_i<V(k+1),k＝1,2,3,4,.......,N-1

本发明通过上述条件选取的采样数据具有以下特点：

依包络上升沿区间段为基准，信号包络受控于激励信号，包络信号稳定性好，规避包络下降阶段，因自由震荡的影响，造成计算结果误差大。

将找到满足上述条件的点，通过如下的线性插值找到对应的时刻点：

t_i＝(V_i-V(k))/(V(k+1)-V(k))+k

即得到若干个相应的坐标点为(t_i，V_i)，也称为阈值点。

(F)在若干个相应的坐标点(t_i，V_i)中的选取两组计算出一条曲线，并计算出该拟合直线穿过时间轴的时间值T₀f_n，重复选取不同的坐标点(t_i，V_i)进行组合，得到多组时间值T₀f_n，n＞1，将计算出的多组T₀f_n进行均值计算作为最终的飞行时间T。

基于(B)-(F)介绍的方案，分别求出顺、逆流两个方向上超声波信号传播的时间，即顺流对应的飞行时间T₁，逆流对应的飞行时间T₂，然后，比如采用图3所示的流道安装样例，在已知流道信息的情况下可求出对应的流速信息：

其中，

为一对换能器构成的直线与流道构成的夹角(超声波发射点与接收点构成的直线与流道构成的夹角)，L为一对换能器之间的距离(超声波发射点与接收点之间的距离)。

当流体在流道中流动时，相对于静止状态，顺流测量时，有效信号会提前到达；逆流测量时，有效信号会滞后到达。利用顺逆流两种状态下有效信号之间的偏移量来计算相应的时差信息，最终实现流速的测量。

由此，本发明具有以下有益效果：

本发明首先利用接受到的顺逆流数据的包络特性并经过简单的数据处理，从而提高抗噪能力，有利于提高计算结果的准确性；然后利用信号包络，并经过归一化，可减少因信号幅值衰减引起的误差；最后，一次信号可采集，可得到多组计算结果，多组结果经过简单的数据处理运算，可提高运算的精度。下面对本发明有益效果进行逐条说明：

(1)参与运算的采样点数少，运算量少，算法简单，无复杂的复频域变换；例如利用互相关算法实现时延计算中涉及到快速傅里叶正变换，快速傅里叶逆变换，以及运算量很大的插值算法，一次快算傅里叶变换涉及到的运算量为：

复数乘法：

复数加为：Nlog₂N

随着采样点数的增加，整体的运算量将很庞大，而本发明在仅需要N次实数乘法，以及1次复数乘法。总体上运算量明显减少，涉及到的算法少。

(2)对MCU要求比较低,不受专用芯片的限制，增大MCU芯片的选择范围。

(3)完成一次测试工作时间短，降低系统功耗。

(4)使用的设备为通用的收发一体换能器，不受设备限制。

(5)本发明的测量流体时间差精确度高，进而得到精确度高的流体速度数据。

一种超声波测速方法实施例：

本发明的一种超声波测速方法实施例，该方法首先获取超声波测量待测流体流速时采样得到的顺流和逆流的波形数据；其次对顺流和逆流的波形数据进行计算相应的包络信息；然后对计算得到的包络信息经过去噪、归一化处理后，再求取包络峰值。依据包络峰值设定多个阈值点，然后再在波形数据中查找满足设定条件的阈值点；依据满足设定条件的阈值点确定该点对应的时刻，从而得到时刻点、阈值点组成的坐标点；最后依据坐标点确定超声波测量流体时的飞行时间。依据顺、逆流对应的飞行时间确定流体速度。该方法具体的实现过程已在一种超声波测速系统实施例中进行了详细说明，这里不再赘述。

Claims (10)

1.一种超声波测速方法，其特征在于：包括如下步骤：

获取超声波测量待测流体流速时采样得到的顺流数据和逆流数据；分别依据顺流数据和逆流数据计算得到对应的飞行时间；依据顺流数据对应的飞行时间和逆流数据对应的飞行时间计算得到流体速度；

所述飞行时间的计算方法包括以下步骤：

1)依据获取的数据，提取相应的包络信息，并确定对应的包络峰值；

2)依据所述包络峰值设定C个电压阈值，C≥2；将获取的数据分别与C个电压阈值按照如下条件进行比较，以得到满足所述条件的多个阈值点：

V(k)≤V_i<V(k+1)

其中，V_i表示阈值点的电压值，i∈[1,C]，V(k)表示数据中的一点，V(k+1)表示V(k)的下一个数据点，k∈[0,N-1]，N为数据采样长度；

3)依据所述多个阈值点中任两个阈值点所在的直线与时间轴的交点确定多个时间值，依据多个时间值确定相应的飞行时间。

2.根据权利要求1所述的超声波测速方法，其特征在于：在步骤2)中依据所述包络峰值设定C个电压阈值时采用如下公式进行设定：

V_i＝η*Mval

其中，Mval表示包络峰值，10％≤η≤60％。

3.根据权利要求1所述的超声波测速方法，其特征在于：C∈[5，10]。

4.根据权利要求1所述的超声波测速方法，其特征在于：步骤3)中依据所述多个阈值点中任两个阈值点所在的直线与时间轴的交点确定多个时间值时，需要确定阈值点中电压值对应的时间值，且采用线性插值法计算得到所述电压值对应的时间值。

5.根据权利要求1～4任一项所述的超声波测速方法，其特征在于：在步骤1)中提取相应的包络信息之后，还需对所述包络信息进行去噪处理以去除因噪声干扰引起的突变点。

6.根据权利要求1～4任一项所述的超声波测速方法，其特征在于：在步骤1)中确定对应的包络峰值之前，还需对所述包络信息进行归一化处理。

7.根据权利要求1～4任一项所述的超声波测速方法，其特征在于：依据顺流数据对应的飞行时间和逆流数据对应的飞行时间计算得到流体速度时采用如下计算公式：

其中，v_m为流体速度，

为超声波发射点与接收点构成的直线与流道构成的夹角，L为超声波发射点与接收点之间的距离，T₁为顺流对应的飞行时间，T₂为逆流对应的飞行时间。

8.根据权利要求5所述的超声波测速方法，其特征在于：采用滑动均值滤波或者Kalman滤波对所述包络信息进行去噪处理。

9.一种超声波测速系统，其特征在于：该系统包括多个换能器、模拟开关和主控单元，所述多个换能器分别设置在待测流体流道的两侧，且待测流体流道一侧的换能器和另一侧的换能器不能同时设置在垂直于流体流道的直线上，用于发送或者接收超声波信号；所述主控单元通过控制所述模拟开关实现对所述多个换能器工作状态的切换，使待测流体流道一侧的换能器处于发射信号状态，另一侧的换能器处于接收信号状态；所述主控单元用于执行计算机程序以实现如权利要求1至8任一项所述的超声波测速方法。

10.根据权利要求9所述的超声波测速系统，其特征在于：该系统还包括信号发送放大电路和信号接收放大电路，所述信号发送放大电路和信号接收放大电路均通过模拟开关与多个换能器分别连接，所述信号发送放大电路和信号接收放大电路还均与主控单元连接，所述信号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，所述信号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。

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