CN115638846A - 基于声速追踪的超声波流量测量方法及用该方法的流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声速追踪的超声波流量测量方法及用该方法的流量计，测量超声波的顺流和逆流传播时间，计算超声波在待测流体中的声速，将其与标定介质中的声速比较，再结合超声波在管段中的顺流和逆流传播时间的和值及差值计算管段中流体的流速，进而计算流体的流量；不需要检测流体的温度即可消除温度对流量测量的影响，提高了流量计的测量精度和稳定性；只需要在一个标测温度下操作即可完成标定步骤，并且标定介质与实际待测介质的材料可以不相同。

Description

基于声速追踪的超声波流量测量方法及用该方法的流量计

技术领域

本发明涉及一种超声波流量计，尤其是涉及一种使用于超声波流量计中的基于声速追踪的超声波流量测量方法及用该方法的流量计。

背景技术

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪器。超声波流量计有时差法、波束偏移法、多普勒法等多种流量测量原理。时差法在超声式流量计量领域中应用广泛，其原理是通过测量超声波信号在流体中顺流传播时间t_d和逆流传播时间之差t_u来计算流体的流速，进而计算出流体的流量。具体地，如图1所示，流量计1具有管段2，管段2的上游和下游分别设置超声波换能器3a和3b，超声波换能器3a和超声波换能器3b互相发射和接收超声波，控制器4测量超声波沿顺流体流动方向(见图1中箭头A所示流体流入方向和箭头B所示流体流出方向)在两个超声波换能器之间传播的顺流传播时间t_d和沿逆流体流动方向在两个超声波换能器之间传播的顺流传播时间t_u，超声波在顺流传播时传播速度被流体流速所加速，在逆流传播时传播速度被流体流速所减速，根据测得的顺逆流传播时间之差，可以计算出流体的流速。超声波流量计的管段2可以如图1所示折线形，将超声波换能器3a和3b分别设置于折线段管段的上下游两端，这样可以用管段完全遮蔽超声波换能器，避免管段中的流体与超声波换能器接触，避免二者相互腐蚀和污染；并且可以使超声波基本以直线路径在介质中传播，能够减少穿过介质界面时引起的能量损耗。

温度是影响时差法超声波流量计测量精度的一个重要因素。一方面，超声波在介质中传播的速度(声速)会随温度变化；另一方面，超声波管段会随温度的变化而热胀冷缩，从而改变了超声波传播的路程。在常规的时差法超声波流量计中，这两方面原因降低了流量测量的精度，一般的解决手段是设置温度传感器(例如公开号为CN103808381A的中国发明专利)，测量流体的温度，再根据实际工况的温度修正测量结果。但设置温度传感器势必增加了流量计的体积、功耗和成本，特别是有高测量精度或小安装空间要求的流量计更难以设置温度传感器。而且，依靠检测温度来修正测量误差的前提是在标定过程中根据温度进行标定，需要在多个温度下开展流量计的标定工作，标定工作量大，特别是对于适用温度范围广或者测量精度要求高的流量计来说更是如此。

发明内容

本发明为解决现有时差法超声波流量计中存在着超声波管段易受温度变化而导致降低流量测量精度，增加温度传感器又存在着容易增加流量计体积、功耗和成本，标定工作量大等现状而提供的一种可以解决上述技术问题而消除温度对测量精度影响的基于声速追踪的超声波流量测量方法及用该方法的流量计。

本发明为解决上述技术问题所采用的具体技术方案为：一种基于声速追踪的超声波流量测量方法，其特征在于：包括如下步骤

A1.测量超声波在成对的超声波换能器之间的顺流传播时间t_d和逆流传播时间t_u；

A2.计算顺逆流传播时间的和，记为顺逆流时间和at；计算顺逆流传播时间的差，记为顺逆流时间差dt；

A3.根据顺逆流时间和at计算超声波在待测介质中的声速c；

A4.计算声速比，声速比k的定义为超声波在待测介质中的声速c与在标定介质中的声速c_r之比；

A5.根据标定工况确定的流速计算式v＝f(k,dt)计算流速，其中是包含声速比k和顺逆流时间差dt的计算式；

A6.根据流速计算出待测介质的流量。

无需增加配置使用温度传感器，利用顺逆流传播时间，计算超声波在待测流体中的声速，将其与标定介质中的声速比较，再结合超声波在管段中的顺流和逆流传播时间差值计算管段中流体的流速，进而计算流体的流量，可以消除温度对测量精度影响，提高流量测量精度。

作为优选，确定所述流速计算式的标定步骤包括以下步骤：

B1.向待标定的超声波流量计供给预设流量和预设温度的流体流，预设的流量记为标测流速V_r，预设的温度记为标测温度T_r；

B2.读取超声波流量计测量输出的标测顺逆流时间差dt_r；

B3.改变标测流速V_r，反复执行B1-B2步骤，获得不同标测流速V_r下的多个标测顺逆流时间差dt_r数据；

B4.对标测流速V_r及标测顺逆流时间差dt_r进行数据拟合，获得标测流速计算式f(dt_r)，进而确定用于测量待测介质的流速计算式f(k，dt)。

作为优选，所述流速计算式具有

形式，其中L是超声波在管段中流体内传播的距离，p₁、p₂和p₃是常数。

作为优选，将上述方案中的A3-A4步骤替换为下列AA4步骤：

AA4.计算声速比，声速比k的计算式为k＝(2L/c_r)/(at-at_r+2L/c_r)；其他步骤不变。

作为优选，将上述方案中的A3-A4步骤替换为下列AB4步骤：

AB4.计算声速比，其中声速比k的计算式为k＝(2L/c_r-(n-1)*T₀)/(at-at_r+2L/c_r-(n-1)*T₀)；其他步骤不变。

本发明申请的另一发明目的在于提供一种基于声速追踪的超声波流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

C1.测量超声波在成对的超声波换能器之间的顺流传播时间t_d和逆流传播时间t_u；

C2.计算顺逆流传播时间的和，记为顺逆流时间和at；计算顺逆流传播时间的差，记为顺逆流时间差dt；

C3.根据顺逆流时间和at计算超声波在待测介质中的声速c；

C4.计算声速比，声速比k的定义为超声波在待测介质中的声速c与在标定介质中的声速c_r之比；

C5.根据标定工况确定的流速计算式v＝f(k，dt，at)计算流速，其中是包含声速比k、顺逆流时间和at以及顺逆流时间差dt的计算式；

C6.根据流速计算出待测介质的流量。

作为优选，所述的流速计算式具有

形式，其中，s₁、s₂和s₃是常数。

本发明申请的又一个发明目的在于提供一种超声波流量计，其特征在于：包括管段、超声波换能器和控制器；管段设置为三段式的折线形，管段的中间段为直线形，一对超声波换能器分别贴附设置于管段中间段轴向方向两端的壁面之外，用于互相发射和接收超声波；控制器包括驱动模块、运算模块和存储模块；驱动模块与超声波换能器连接，用于激发和控制超声波换能器和发射和接收超声波信号，运算模块与驱动模块连接，用于测量超声波在成对的超声波换能器之间传播的顺流传播时间和逆流传播时间；运算模块与存储模块连接，存储模块用于存储流量计的软件程序；

存储模块存储的软件程序包括在流量计标定过程中确定的流速计算式，软件程序包含根据上述技术方案之一所述的超声波流量测量方法所确定的处理步骤；运算模块从存储模块中读取软件程序，根据流速计算式，使用实际测量获得的顺流传播时间和逆流传播时间计算出通过超声波流量计的流体的流量。

本发明的有益效果是：本发明涉及一种流量测量方法及使用该方法的流量计，测量超声波的顺流和逆流传播时间，计算超声波在待测流体中的声速，将其与标定介质中的声速比较，再结合超声波在管段中的顺流和逆流传播时间差值计算管段中流体的流速，进而计算流体的流量；具有以下优点：

(1)不需要检测流体的温度即可消除温度对流量测量的影响，提高了流量计的测量精度和稳定性；不需要设置温度传感器，尤其适用于小体积的超声波流量计；

(2)只需要在一个标测温度下操作即可完成标定步骤，并且标定介质与实际待测介质的材料可以不相同；显著减少了流量计标定过程的步骤，并且有利于提高流量计在不同温度下、或者测量不同介质时的流量测量精度；特别适合用于化学品输送管线领域。

(3)根据本发明的一个方面，不需要测量超声波流量计的管段长度即可实现流量测量，避免了长度测量误差以及管段的热胀冷缩效应对流量测量带来的误差；

(4)根据本发明的一个方面，在获取待测介质的声速的过程中修正流量计管壁厚度的影响，和/或修正超声波的计时点与实际抵达时刻的差异的影响，提高了流量计的测量精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

图1是时差式超声波流量计的原理结构示意图。

图2是超声波信号的波形示意图。

图3是本发明申请超声波流量计的原理示意图。

具体实施方式

如图1所示，超声波流量计1的管段2设置为三段式的折线形，管段2的中间段为直线形，超声波换能器3a和3b分别贴附设置于管段中间段轴向方向上两端的壁面之外；超声波换能器3a和3b不接触管段中的流体，超声波换能器不会受到流体的腐蚀，也不会污染流体，特别适用于电子化学品等高洁净度需求的管线系统中。超声波经管段壁面透射传播会产生能量损耗，在图1的装置中，将超声波换能器设置在直线管段轴向的两端，使超声波在两个换能器之间基本沿直线传播，减少了穿过管段壁面时因反射和折射带来的能量损耗，有利于提高超声波的信号质量，特别适合小流量的测量。

两端安装超声波换能器的直线段管段的内长度为L，这个长度也是超声波在流体介质中传播的路程(声程)。超声波的自超声波换能器3a传播至3b的顺流传播时间t_d为：

其中，L为声程，c为声速，v为流体流速。

超声波的自超声波换能器3b传播至3a的逆流传播时间t_u为：

实施例1：

联立(1)(2)两式可得计算式：

其中，dt为顺逆流时间差，也即顺流传播时间t_d与逆流传播时间t_u的差；at为顺逆流时间和，也即顺流传播时间t_d与逆流传播时间t_u的差。

超声波在流体中的声速一般明显大于流体的流速，例如超声波在水中的传播速度大约是1400m/s，而超声波流量计中流体的典型流速在5m/s左右。当声速远大于流体流速时，上述(3)(4)两式可改写为：

如果已知流量计的标定介质中的声速c_r；记流量计在标定过程中测得的标测顺逆流时间差为dt_r、标测顺逆流时间和为at_r；记待测介质中的声速为c、顺逆流时间差为dt、顺逆流时间和为at；另外，再定义一个系数，声速比k＝c/c_r。那么，根据(5)(6)可得：

dt_r＝k²*dt； (7)

at_r＝k*at。 (8)

根据(7)(8)两式，可以将流量计在待测介质中测得的顺逆流时间和at以及顺逆流时间差dt转换为流量计在标定介质中测得的标测顺逆流时间和at_r及标测顺逆流时间差dt_r。

在标定过程中可以确定标定介质中的声速c_r，以及标定介质的流速v与标测顺逆流时间和at_r及标测顺逆流时间差dt_r之间的关系；又待测介质中的声速可以用下式计算：

因此，借助声速比k的转换，可以计算出待测介质的流速。

本实施例的流量测量方法的具体步骤为：

A1.测量超声波在成对的超声波换能器之间的顺流传播时间t_d和逆流传播时间t_u；

A2.计算顺逆流传播时间的和，记为顺逆流时间和at；计算顺逆流传播时间的差，记为顺逆流时间差dt；

A3.根据顺逆流时间和at计算超声波在待测介质中的声速c；

A4.计算声速比，声速比k的定义为超声波在待测介质中的声速c与在标定介质中的声速c_r之比；

A5.根据标定工况确定的流速计算式v＝f(k，dt)计算流速，其中是包含声速比k和顺逆流时间差dt的计算式；

A6.根据流速计算出待测介质的流量。

在本实施例中，流速计算式如下：

其中，c_r是超声波在标定介质中的声速，所述的标定介质具有确定的温度，声速c_r可以通过标定过程直接测量得到，也可以通过查询公知的技术文献获得；声程L是超声波在管段中流体内传播的距离，通过对流量计结构测量获得；p₁、p₂和p₃均为拟合系数，通过标定步骤确定。

通过以下标定步骤具体确定拟合系数p₁、p₂和p₃：

B1.向待标定的超声波流量计供给预设流量和预设温度的流体流，预设的流量记为标测流速V_r，预设的温度记为标测温度T_r；

B2.读取超声波流量计测量输出的标测顺逆流时间差dt_r；

B3.改变标测流速V_r，反复执行B1-B2步骤，获得不同标测流速V_r下的多个标测顺逆流时间差dt_r数据；

B4.对标测流速V_r及标测顺逆流时间差dt_r进行数据拟合，获得标测流速计算式

进而可以确定拟合系数p₁、p₂和p₃，以及超声波流量计用于测量待测介质的流速计算式

对于通过标定步骤确定标测声速的情况，可以在标定步骤中测量标测顺逆流时间差at_r数据，结合测量得到的声程L数据，使用(9)式计算得到标测声速c_r。

在本实施例中，只需要在一个标测温度T_r下操作即可完成标定步骤，并且标定介质与实际待测介质的材料可以不相同。根据实际待测介质的声速与标定介质的声速之间的差异，即可修正标测流速计算式并用于待测介质的流速测量。这种方法显著减少了流量计标定过程的步骤，并且有利于提高流量计在不同温度下、或者测量不同介质时的流量测量精度。因为这种测量方法的关键在于比较待测介质与标定介质的声速差异，因此可以称之为声速追踪方法。

这种测量方法特别适合用于化学品输送管线领域。有的化学品管线中会流过多种流体介质；有的化学品管线中虽然只流经单一种类的流体介质，但是整个管线系统配备了多条输送不同种类化学品的管线。采用本实施例的流量测量方法，只需要一种流体介质进行标定步骤即可适应多种流体的测量，能够扩展流量计的适用范围，减少流量测量的操作步骤以及需配置的流量计型号数量。

实施例2：

联立上述(3)(4)两式可得：

对于标定过程而言，可以获得标测流速计算式：

结合(7)(8)两式可获得对待测流体的流速计算式：

更优地，使用下式作为流速计算式：

其中，s₁～s₃是拟合系数，可以通过流量计的标定步骤具体确定。

本实施例的流量测量方法的具体步骤为：

C1.测量超声波在成对的超声波换能器之间的顺流传播时间t_d和逆流传播时间t_u；

C2.计算顺逆流传播时间的和，记为顺逆流时间和at；计算顺逆流传播时间的差，记为顺逆流时间差dt；

C3.根据顺逆流时间和at计算超声波在待测介质中的声速c；

C4.计算声速比，声速比k的定义为超声波在待测介质中的声速c与在标定介质中的声速c_r之比；

C5.根据标定工况确定的流速计算式v＝f(k，dt，at)计算流速，其中是包含声速比k、顺逆流时间和at以及顺逆流时间差dt的计算式；

C6.根据流速计算出待测介质的流量。

在本实施例中，流速计算式为：

通过以下标定步骤具体确定拟合系数s₁、s₂和s₃：

D1.向待标定的超声波流量计供给预设流量和预设温度的流体流，预设的流量记为标测流速V_r，预设的温度记为标测温度T_r；

D2.读取超声波流量计测量输出的标测顺逆流时间和at_r以及标测顺逆流时间差dt_r；

D3.改变标测流速V_r，反复执行B1-B2步骤，获得不同标测流速V_r下的多组标测顺逆流时间和at_r以及标测顺逆流时间差dt_r数据；

D5.对标测流速V_r、标测顺逆流时间和at_r及标测顺逆流时间差dt_r进行数据拟合，获得标测流速计算式

进而可以确定拟合系数s₁、s₂和s₃，以及超声波流量计用于测量待测介质的流速计算式

本实施例与实施例1的相比，计算式不再包含声程L。因此，本实施例与实施例1相比，不再依赖声程L的测量精确程度。而且，实施例1的流速计算式将声程L视为常数处理，不能适应声程L随温度改变的情况，本实施例则解决了这一问题。

因此，实施例2更适合管段材料热胀冷缩效应明显的超声波流量计，例如化学品管线系统中常用聚四氟乙烯等塑料材质作为超声波流量计的管段材料以避免腐蚀和污染问题，使用本实施例的技术方案能够很好地提高这种超声波流量计的测量精度。

实施例3：

在实施例1中，可以根据(9)式，利用声程L和顺逆流时间和at来计算待测介质的声速c。但是，声程仅指超声波在流体介质中传播的路程长度，不包括超声波在超声换能器和流体介质之间的管道壁面内部传播的路程长度。因为固体介质中的声速往往比流体介质中的声速更高，管壁的厚度也不大，因此，在本发明的一般使用场合中，管壁厚度对流量测量精度的影响较小。

如果希望获得更高的测量精度，可以考虑修正流量计管壁厚度的影响。由于超声波在管壁中的声速高，而且管壁厚度相对较小，所以，可以近似认为超声波分别在标定工况下和实际测量工况下透射流量计管壁所耗费的透射时间相等，记为t_s。于是，可以在标定工况下，利用下式计算透射时间t_s：

于是，待测介质中的声速c的计算式修正为：

声速比的计算式修正为：

在本实施例中，将实施例1中的A3-A4步骤替换为下列AA4步骤：

AA4.计算声速比，声速比k的计算式为k＝(2L/c_r)/(at-at_r+2L/c_r)；

其余实施方式同实施例1。

实施例4：

如图2所示，在超声波流量计中常使用阈值法测量超声波的传播时间。超声换能器每次激发的声波波形是一列包络形状呈纺锤形的波，精确获得超声波抵达接收超声换能器的时刻，也即获得接收超声换能器接收到的超声波波形的起点对于测量精度十分重要。为了避免受到噪声信号的干扰，准确确认接收到超声波信号，可以使用阈值法确定波形的起点。超声波信号具有101-104等一系列由负向正穿越零轴的上穿过零点，当检出波形信号的峰值超过阈值线110后，取该波峰111之后的第一个上穿过零点104作为计时点。但超声波实际抵达接收换能器的时刻应当是上穿过零点101。在流量测量方法中获得的计时点比实际计时点晚了3个声波周期T₀。

参考(18)式，为了进一步提高对待测介质中声速c和声速比k的测量精度，采用下式计算声速比k：

其中，n是预设的计时点在超声波波形过零点中的次序，是超声波的声波周期T₀；n和T₀都可以根据流量计的设计参数确定。

在本实施例中，将实施例1中的A3-A4步骤替换为下列AB4步骤：

AB4.计算声速比，声速比k的计算式为

k＝(2L/c_r-(n-1)*T₀)/(at-at_r+2L/c_r-(n-1)*T₀)；

其余实施方式同实施例1。

超声波流量计实施例：

如图3所示，超声波流量计1的管段2设置为三段式的折线形，管段2的中间段为直线形，超声波换能器3a和3b分别贴附设置于管段中间段轴向上两端的壁面之外；超声波3a和3b可以互相发射和接收超声波；超声波沿顺流体流动方向(见图3中箭头A所示流体流入方向和箭头B所示流体流出方向)在两个超声波换能器之间传播的，超声波换能器3a和3b不接触管段中的流体；超声波流量计1还包括控制器4，控制器4包括驱动模块5、运算模块6和存储模块7；驱动模块5与超声波换能器3a和3b连接，用于激发和控制超声波换能器3a和3b发射和接收超声波信号，运算模块6与驱动模块5连接，用于测量超声波在超声波换能器3a之间传播的顺流传播时间和逆流传播时间；运算模块6还与存储模块7连接，存储模块7用于存储流量计的软件程序，软件程序包括在流量计标定过程中确定的流速计算式，软件程序包含根据本申请提供的超声波流量测量方法所确定的处理步骤；运算模块6从存储模块7中读取软件程序，根据流速计算式，使用实际测量获得的顺流传播时间和逆流传播时间计算出通过超声波流量计的流体的流量。

以上内容和结构描述了本发明产品的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解。上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都属于要求保护的本发明范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于声速追踪的超声波流量测量方法，其特征在于：包括如下步骤

A1.测量超声波在成对的超声波换能器之间的顺流传播时间t_d和逆流传播时间t_u；

A2.计算顺逆流传播时间的和，记为顺逆流时间和at；计算顺逆流传播时间的差，记为顺逆流时间差dt；

A3.根据顺逆流时间和at计算超声波在待测介质中的声速c；

A4.计算声速比，声速比k的定义为超声波在待测介质中的声速c与在标定介质中的声速c_r之比；

A5.根据标定工况确定的流速计算式v＝f(k，dt)计算流速，其中是包含声速比k和顺逆流时间差dt的计算式；

A6.根据流速计算出待测介质的流量。

2.按照权利要求1所述的基于声速追踪的超声波流量测量方法，其特征在于：确定所述流速计算式的标定步骤包括以下步骤：

B1.向待标定的超声波流量计供给预设流量和预设温度的流体流，预设的流量记为标测流速V_r，预设的温度记为标测温度T_r；

B2.读取超声波流量计测量输出的标测顺逆流时间差dt_r；

B3.改变标测流速V_r，反复执行B1-B2步骤，获得不同标测流速V_r下的多个标测顺逆流时间差dt_r数据；

B4.对标测流速V_r及标测顺逆流时间差dt_r进行数据拟合，获得标测流速计算式f(dt_r)，进而确定用于测量待测介质的流速计算式f(k，dt)。

3.按照权利要求1所述的基于声速追踪的超声波流量测量方法，其特征在于：所述流速计算式具有

形式，其中L是超声波在管段中流体内传播的距离，p₁、p₂和p₃是常数。

4.按照权利要求1所述的基于声速追踪的超声波流量测量方法，其特征在于：将权利要求1中的A3-A4步骤替换为下列AA4步骤：

AA4.计算声速比，声速比k的计算式为k＝(2L/c_r)/(at-at_r+2L/c_r)；其他步骤不变。

5.按照权利要求1所述的基于声速追踪的超声波流量测量方法，其特征在于：将权利要求1中的A3-A4步骤替换为下列AB4步骤：

AB4.计算声速比，其中声速比k的计算式为k＝(2L/c_r-(n-1)*T₀)/(at-at_r+2L/c_r-(n-1)*T₀)；其他步骤不变。

6.一种基于声速追踪的超声波流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

C1.测量超声波在成对的超声波换能器之间的顺流传播时间t_d和逆流传播时间t_u；

C2.计算顺逆流传播时间的和，记为顺逆流时间和at；计算顺逆流传播时间的差，记为顺逆流时间差dt；

C3.根据顺逆流时间和at计算超声波在待测介质中的声速c；

C4.计算声速比，声速比k的定义为超声波在待测介质中的声速c与在标定介质中的声速c_r之比；

C5.根据标定工况确定的流速计算式v＝f(k，dt，at)计算流速，其中是包含声速比k、顺逆流时间和at以及顺逆流时间差dt的计算式；

C6.根据流速计算出待测介质的流量。

7.按照权利要求6所述的基于声速追踪的超声波流量测量方法，其特征在于：所述的流速计算式具有

形式，其中，s₁、s₂和s₃是常数。

8.一种超声波流量计，其特征在于：包括管段、超声波换能器和控制器；管段设置为三段式的折线形，管段的中间段为直线形，一对超声波换能器分别贴附设置于管段中间段轴向方向两端的壁面之外，用于互相发射和接收超声波；控制器包括驱动模块、运算模块和存储模块；驱动模块与超声波换能器连接，用于激发和控制超声波换能器和发射和接收超声波信号，运算模块与驱动模块连接，用于测量超声波在成对的超声波换能器之间传播的顺流传播时间和逆流传播时间；运算模块与存储模块连接，存储模块用于存储流量计的软件程序；

存储模块存储的软件程序包括在流量计标定过程中确定的流速计算式，软件程序包含根据权利要求1～7之一所述的超声波流量测量方法所确定的处理步骤；运算模块从存储模块中读取软件程序，根据流速计算式，使用实际测量获得的顺流传播时间和逆流传播时间计算出通过超声波流量计的流体的流量。

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