CN115900858A - 一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，属于煤矿瓦斯抽采监测技术领域。搭建超声波测流电路，超声波测流电路包括微处理器、发射电路、超声波探头一、电路切换开关一、电路切换开关二、超声波探头二和接收电路；通过控制电路切换开关切换电路，控制超声波探头的接入与断开，在超声波探头未接入时，整个电路为按顺序依次串联的闭环电路，模拟超声波的传播和检测，然后将超声波探头接入电路，形成信号按上述顺序传输的闭环传输回路，进行超声波的检测，对比两者传播时间做差，即可消除硬件延时得到准确的飞行时间。本方案对飞行时间修正的更加彻底，不存在硬件RC延迟，克服了RC延迟受到管道的管径影响的缺陷。

Description

一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法

技术领域

本发明属于煤矿瓦斯抽采监测领域，具体涉及一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法。

背景技术

超声波测量装置利用超声波在顺逆流介质传播过程中会产生时差的现象而进行介质流速(量)测量，具有测量下限低、测量范围宽、测量精度高、无转动测量部件耐脏污等优点，目前在气象风速测量、管道液体流量测量、天然气流量计量领域应用较多。但是，在煤矿瓦斯抽采计量领域，因为煤矿瓦斯抽采工况环境复杂多变、管道规格不一、介质压力较小，且成分复杂。基于超声波渡越时差测量原理的超声波气体流量测量设备，其测量关键点在于准确获取超声波在发射探头与接收探头间的渡越时间。现有方法超声波渡越时间的获取主要是通过硬件测量电路配合软件算法的方式，获取到的时间不仅仅会有超声波纯粹的渡越时间，还迭加了硬件电路中的RC造成的时延。

例如，公开号为CN103812477B的中国专利提出了一种超声波发射电路时延测量方法及超声发射修正方法，通过控制测量前序超声波发射驱动脉冲延迟时间，动态调整后续超声波驱动脉冲，以提高波束聚焦效果。该方法修正了RC延迟的误差，然而也仅仅是使RC延迟的误差更小，并未消除RC延迟。

瓦斯抽采气体输送管路由钻孔抽采管、钻场汇流管、抽采支管、抽采干管、抽采总管等组成，对应管道内径呈逐步增大的规律，内径多在50mm～1000mm范围内。在通过超声波测量装置对瓦斯抽采计量时，管道内径直接影响了超声波的传播距离，管径越小传播时间越短，传播时间越短，硬件造成的时延影响就越大，对流量测量准确性影响也越大。出于地域位置和安全因素考虑，瓦斯抽采管路的内径通常属于不可调控的因素，故而，现有技术通常认为超声波测量装置对瓦斯抽采计量监测的适应性较差。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，解决超声波测流量装置中的RC电路时延会影响测流结果的问题，修正测流装置的实测超声波渡越时间参数，有效提高超声波飞行时间的测量准确，提升测流精度，提高测流装置在瓦斯抽采计量监测领域的适应能力。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，搭建超声波测流电路，所述超声波测流电路包括微处理器、超声波探头一、超声波探头二、电路切换开关一和电路切换开关二；所述电路切换开关一和所述电路切换开关二均具有至少两个输出端；所述微处理器电性连接发射电路；所述发射电路与电路切换开关一的输入端连接，电路切换开关一的一个输出端与超声波探头一连接，电路切换开关一的另一个与电路切换开关二的一个输出端连接，电路切换开关二的另一个输出端与超声波探头二连接，电路切换开关二的输入端与接收电路连接，所述接收电路与微处理器电性连接；所述接收电路包括TDC时间检测电路。

基于所述包括超声波测流电路，按照以下步骤进行超声波飞行时间修正：

第一步：将电路切换开关一和电路切换开关二连通；微处理器发射一个频率与超声波额定频率相同的单脉冲方波信号，同时启动TDC时间测量电路开始计时，当单脉冲信号触发时间测量电路结束计时，此时TDC时间测量电路所计时间为超声波收发电路所造成的延迟时间，记为t_y；

第二步：将电路切换开关一切换到连接超声波射探头一的一端，将电路切换开关二切换到连接超声波探头二的一端；使微处理器驱动脉冲序列信号，同时启动时间测量电路开始计时；脉冲序列信号到达超声波发射探头后，驱动探头发出超声波；超声波到达超声波接收探头后，经探头转换，输出超声波接收信号，当超声波接收信号触发时间测量电路结束计时，时间测量电路所计时间，记为t_sf；

第三步：计算超声波在超声波探头和超声波探头二之间的准确飞行时间t_s；

第四步：切换超声波飞行方向，将超声波探头一切换为接收状态，超声波探头二切换为发射状态，重复第二步、第三步操作，测量出相反飞行方向的超声波准确飞行时间t_n，t_n＝t_nf-t_y，其中，t_nf为携带了电路时延的时间。

进一步，所述发射电路包括相互电性连接的推挽转换电路和信号功率放大电路；所述发射电路中，信号的传输方向为：从微处理器发出，依次经过推挽转换电路、信号功率放大电路和电路切换开关一。

进一步，所述接收电路还包括互相电性连接的程控信号放大电路和信号滤波处理电路；所述接收电路中，信号的传输方向为：从电路切换开关二依次经过程控信号放大电路和信号滤波处理电路。

进一步，在所述第二步中，所述脉冲序列信号为方波脉冲，且所述方波脉冲的数量大于2个。

进一步，在所述第三步中，所述准确飞行时间的计算方法为：t_s＝t_sf-t_y。

进一步，还包括第五步：通过温度传感器检测电路板所处位置的环境温度，所述微处理器记录每一次检测t_y时的环境温度作为初始温度，并根据所述初始环境温度与实时环境温度计算环境温度变化量：当所述环境温度变化量超过预设值ΔT时，所述微处理器再次重复前四步操作。

进一步，所述电路切换开关一和所述电路切换开关二均为单刀双掷开关。

名词解释：

单刀双掷开关：单刀双掷开关由动端和不动端组成，动端就是所谓的“刀”，它应该连接电源的进线，也就是来电的一端(即输入端)，一般也是与开关的手柄相连的一端；另外的两端就是电源输出的两端(即输出端)，就是所谓的不动端。

TDC：(Time-to-Digital Converter的缩写)，中文表示：“时间-数字转换器”。

本发明的有益效果在于：

本方案解决了超声波测流量装置中的RC电路时延会影响测流结果的问题，修正测流装置的实测超声波渡越时间参数，有效提高超声波飞行时间的测量准确，提升测流精度，提高测流装置在瓦斯抽采计量监测领域的适应能力。

在瓦斯抽采计量监测领域中，管道内径直接影响了超声波的传播距离，管径越小传播时间越短，传播时间越短，硬件造成的时延影响就越大，对流量测量准确性影响也越大；而本方案先通过模拟超声波传输获得超声波收发电路所造成的延迟时间，从而直接进行消除，相比于现有的修正方法，修正的更加彻底，不存在硬件RC延迟，克服了RC延迟受到管道的管径影响的缺陷。本方法不影响超声波测流装置正常测量，不增加额外成本，有效提升了设备的测量稳定性、测量准确性等性能。同时，相比现有测量技术，本发明具有时延在线自主测量、测量结果实时修正的优点，能够根据电路板的温度完成修正参数的更改，实用性更强。

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为开启电路时延测量功能时的电路联接状态示意图；

图2为关闭电路时延测量功能，进入正常测量工作状态时的电路联接状态示意图。

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。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，为一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，搭建超声波测流电路，所述超声波测流电路包括微处理器、超声波探头一、超声波探头二、电路切换开关一和电路切换开关二；本实施例中，电路切换开关一和电路切换开关二均采用单刀双掷开关，编号与之对应。所述微处理器具有脉冲信号输出端口，所述脉冲信号输出端口依次电性连接推挽转换电路、信号功率放大电路；所述信号功率放大电路与单刀双掷开关一的输入端连接，单刀双掷开关一的一个输出端与超声波探头一连接，单刀双掷开关一的另一个与单刀双掷开关二的一个输出端连接，单刀双掷开关二的另一个输出端与超声波探头二连接，单刀双掷开关二的输入端与程控信号放大电路连接，所述程控信号放大电路依次经过信号滤波处理电路TDC时间测量电路与微处理器电性连接。

基于所述包括超声波测流电路，包括以下步骤：

第一步：将单刀双掷开关一和单刀双掷开关二连通；微处理器发射一个频率与超声波额定频率相同的单脉冲方波信号，同时启动TDC时间测量电路开始计时，当单脉冲信号触发时间测量电路结束计时，此时TDC时间测量电路所计时间为超声波收发电路所造成的延迟时间，记为t_y；

第二步：将单刀双掷开关一切换到连接超声波射探头一的一端，将单刀双掷开关二切换到连接超声波探头二的一端；使微处理器驱动脉冲序列信号，脉冲序列信号为方波脉冲，且所述方波脉冲的数量大于2个，同时启动时间测量电路开始计时；脉冲序列信号到达超声波发射探头后，驱动探头发出超声波；超声波到达超声波接收探头后，经探头转换，输出超声波接收信号，当超声波接收信号触发时间测量电路结束计时，时间测量电路所计时间，记为t_sf。

第三步：计算超声波在超声波探头和超声波探头二之间的准确飞行时间t_s；准确飞行时间的计算方法为：t_s＝t_sf-t_y。

第四步：切换超声波飞行方向，将超声波探头一切换为接收状态，超声波探头二切换为发射状态，重复第二步、第三步操作，测量出相反飞行方向的超声波准确飞行时间t_n，t_n＝t_nf-t_y，其中，t_nf为携带了电路时延的时间。

第五步：通过温度传感器检测电路板所处位置的环境温度，所述微处理器记录每一次检测t_y时的环境温度作为初始温度，并根据所述初始环境温度与实时环境温度计算环境温度变化量：当所述环境温度变化量超过预设值ΔT(ΔT＞0.5℃)时，所述微处理器再次重复前四步操作。

本方案的原理：

本方案通过电路切换开关切换电路，控制一对超声波探头的接入与断开。如图1所示，在超声波探头未接入时，整个电路为按顺序依次串联的闭环电路，CPU(即微处理器)通过PWM接口驱动信号发生，信号经过推挽转换电路、信号功率方法电路、单刀双掷开关一(图中电路切换开关S1)、单刀双掷开关二(图中电路切换开关S2)、程控信号放大电路、信号滤波电路到达TDC时间测量电路，经时间测量后将结果返回CPU，模拟超声波的传播和检测；然后将一对超声波探头接入电路，分别作为发射端和接收端，形成信号按上述顺序传输的闭环传输回路，进行超声波的检测，由于与模拟传输采用的相同的电路结构，只需对比两者传播时间做差，即可得到超声波发射探头和超声波接收探头之间发送到接收超声波所经过的准确飞行时间。

由于硬件电路本身初了硬件延迟外，还有其他的影响因素，导致无法直接计算出准确的硬件延时，因此现有技术均是对硬件延时做出修正，以降低误差。而本方案通过一对超声波探头收发信号，以及略过超声波探头直接连通相同电路时收发信号的时间对比，在同一环境下，两者收到其他影响因素的影响相同，直接做差抵消了这部分影响，直接消除了电路本身硬件延时，得到准确的飞行时间，比现有技术对飞行时间修正得更加彻底，不存在硬件RC延迟，克服了RC延迟受到管道的管径影响的缺陷，使得超声波发收技术能够应用在瓦斯抽采计量中，突破了现有技术对于超声波发收技术应用于瓦斯抽采计量领域的局限性。

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 (7)

1.一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，其特征在于，搭建超声波测流电路，所述超声波测流电路包括微处理器、超声波探头一、超声波探头二、电路切换开关一和电路切换开关二；所述电路切换开关一和所述电路切换开关二均具有至少两个输出端；所述微处理器电性连接发射电路；所述发射电路与电路切换开关一的输入端连接，电路切换开关一的一个输出端与超声波探头一连接，电路切换开关一的另一个与电路切换开关二的一个输出端连接，电路切换开关二的另一个输出端与超声波探头二连接，电路切换开关二的输入端与接收电路连接，所述接收电路与微处理器电性连接；所述接收电路包括TDC时间检测电路；基于所述包括超声波测流电路，按照以下步骤进行超声波飞行时间修正：

第一步：将电路切换开关一和电路切换开关二连通；微处理器发射一个频率与超声波额定频率相同的单脉冲方波信号，同时启动TDC时间测量电路开始计时，当单脉冲信号触发时间测量电路结束计时，此时TDC时间测量电路所计时间为超声波收发电路所造成的延迟时间，记为t_y；

第二步：将电路切换开关一切换到连接超声波射探头一的一端，将电路切换开关二切换到连接超声波探头二的一端；使微处理器驱动脉冲序列信号，同时启动时间测量电路开始计时；脉冲序列信号到达超声波发射探头后，驱动探头发出超声波；超声波到达超声波接收探头后，经探头转换，输出超声波接收信号，当超声波接收信号触发时间测量电路结束计时，时间测量电路所计时间，记为t_sf；

第三步：计算超声波在超声波探头和超声波探头二之间的准确飞行时间t_s，t_s＝t_sf-t_y，其中，t_sf为携带了电路时延的时间；

第四步：切换超声波飞行方向，将超声波探头一切换为接收状态，超声波探头二切换为发射状态，重复第二步、第三步操作，测量出相反飞行方向的超声波准确飞行时间t_n，t_n＝t_nf-t_y，其中，t_nf为携带了电路时延的时间。

2.根据权利要求1所述的一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，其特征在于，所述发射电路包括相互电性连接的推挽转换电路和信号功率放大电路；所述发射电路中，信号的传输方向为：从微处理器发出，依次经过推挽转换电路、信号功率放大电路和电路切换开关一。

3.根据权利要求1所述的一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，其特征在于，所述接收电路还包括互相电性连接的程控信号放大电路和信号滤波处理电路；所述接收电路中，信号的传输方向为：从电路切换开关二依次经过程控信号放大电路和信号滤波处理电路。

4.根据权利要求1所述的一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，其特征在于，在所述第二步中，所述脉冲序列信号为方波脉冲，且所述方波脉冲的数量大于2个。

5.根据权利要求1所述的一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，其特征在于，在所述第三步中，所述准确飞行时间的计算方法为：t_s＝t_sf-t_y。

6.根据权利要求1所述的一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，其特征在于，还包括第五步：通过温度传感器检测电路板所处位置的环境温度，所述微处理器记录每一次检测t_y时的环境温度作为初始温度，并根据所述初始环境温度与实时环境温度计算环境温度变化量：当所述环境温度变化量超过预设值ΔT时，所述微处理器再次重复前四步操作。

7.根据权利要求1所述的一种超声波发收电路时延测量及超声波飞行时间修正方法，其特征在于，所述电路切换开关一和所述电路切换开关二均为单刀双掷开关。

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