CN116626333A - 一种超声波流速测量方法及装置 - Google Patents

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CN116626333A CN202310503491.0A CN202310503491A CN116626333A CN 116626333 A CN116626333 A CN 116626333A CN 202310503491 A CN202310503491 A CN 202310503491A CN 116626333 A CN116626333 A CN 116626333A
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刘金磊
黄双峰
梁力水
刘薇薇
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Abstract

本发明公开了一种超声波流速测量方法及装置，包括在流体通道侧壁同一条直线上间隔设置有第一换能器和第二换能器，其中，第一换能器、第二换能器的发射方向与流体方向形成夹角；激励第一换能器使其产生超声波信号，第二换能器接收第一换能器发射的超声波信号；激励第二换能器使其产生超声波信号，第一换能器接收第二换能器发射的超声波信号；对采集到的两次超声波信号进行互相关算法处理，获得两次超声波信号传播的时间差；基于时间差，获得流体速度。本发明基于互相关算法的技术对接收信号的幅值、换能器间的差异及温度变化不敏感，实现高精度计量。

Description

一种超声波流速测量方法及装置
技术领域
本发明涉及流体流速测量技术领域，具体涉及一种超声波流速测量方法及装置。
背景技术
目前市面上对流速的采集方法通常采用超声波专用的时间芯片来完成飞行时间的计算，即所谓的TDC技术，从而计算出流速信息。比如MS1030，GP21，GP22，AS6040，MAX35104等芯片，这些芯片计算飞行时间的原理通常是基于阈值法，即检测首波，通过对阈值的设定，来判断首波的到来，从而开始计时。这个方案在气体组分比较纯净的时候十分有效，但是当气体组分比较复杂的时候，超声波信号幅度将出现较大的变化，此时，寻找首波将是一件十分头疼的事情，尽管出现了一些方法来弥补这种缺陷，比如通过硬件电路延时的方法，将不稳定的首波越过，对稳定的波形判定为首波。这种方法在一定程度上解决了首波跳动问题，但是这种方法也是在已知气体组分的前提下，对未知组分的气体依然无效，因为未知气体组分，超声波信号的幅值变化是未知的，那么延时的长短也是无法确定的。另一种解决首波跳动的方法，是通过AGC电路将波形都调整到一个统一的幅值，那么理论上就不存在跳波的情况了，但是实际上，这种方法并没有在实际中得以应用，根本原因还是因为AGC电路太过复杂、成本高、功耗高，且AGC电路输出的波形也并非理想，它会将首波之前的毛刺都进行等幅处理，对真实波形造成极大干扰。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种超声波流速测量方法。
本发明公开了一种超声波流速测量方法，包括：
在流体通道侧壁同一条直线上间隔设置有第一换能器和第二换能器，其中，所述第一换能器、第二换能器的发射方向与流体方向形成夹角α；
激励所述第一换能器使其产生超声波信号，所述第二换能器接收所述第一换能器发射的所述超声波信号；
激励所述第二换能器使其产生超声波信号，所述第一换能器接收所述第二换能器发射的所述超声波信号；
对采集到的两次所述超声波信号进行互相关算法处理，获得两次所述超声波信号传播的时间差；
基于所述时间差，获得流体速度。
优选的是，所述超声波在所述流体通道内反射传播，每段反射声路路程相等且反射声路为偶数。
优选的是，所述反射声路为4段。
优选的是，所述超声波传播方向与所述流体方向相同，则
T1＝L1/(C+VCOS(α))；
T2＝L2/(C+VCOS(α))；
T3＝L3/(C+VCOS(α))；
T4＝L4/(C+VCOS(α))；
所述超声波传播方向与所述流体方向不同，则
T1'＝L1/(C-VCOS(α))；
T2'＝L2/(C-VCOS(α))；
T3'＝L3/(C-VCOS(α))；
T4'＝L4/(C-VCOS(α))；
式中：L1＝L2＝L3＝L4＝L，L为反射声路的长度；T1、T2、T3、T4为顺流时所述超声波在每段述反射声路的时间；T1'、T2'、T3'、T4'为逆流时所述超声波在每段述反射声路的时间；C为所述超声波声速；V为所述流体速度；
将所述超声波逆流传播的总时间减去顺流传播的总时间获得时间差δt；
δt＝4*[2LVCOS(α)/(C2-V2COS2(α))]。
优选的是，因所述超声波声速速度远大于所述流体V，故将所述时间差δt简化为：
δt＝4*[2LVCOS(α)/(C2)]；
故所述流体的速度为：
V＝C2 *δt/[4*2*L COS(α)]。
优选的是，激励所述第一换能器或所述第二换能器产生超声波信号的为PWM产生电路，所述PWM产生电路包括NE555芯片。
优选的是，通过换向开关用于切换所述第一换能器和所述第二换能器的工作状态。
优选的是，通过ADC采集电路采集所述所述超声波信号，所述ADC采集电路包括ADC转换芯片。
本发明还提供一种上述超声波流速测量装置，包括：
在流体通道侧壁同一条直线上间隔设置有第一换能器和第二换能器，其中，所述第一换能器、第二换能器的发射方向与流体方向形成夹角α；
用于驱动第一换能器或第二换能器产生超声波信号的PWM产生电路；
用于切换所述第一换能器和所述第二换能器的工作状态的换向开关；
用于采集所述所述超声波信号的ADC采集电路；以及
用于对采集到的所述超声波信号进行互相关算法处理的MCU运算单元。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于互相关算法的技术对接收信号的幅值、换能器间的差异及温度变化不敏感，实现高精度计量。
附图说明
图1为本发明超声波流速测量方法的流程图；
图2为本发明超声波流速测量方法中超声波传播图；
图3为本发明超声波流速测量方法中PWM产生电路图；
图4为本发明超声波流速测量方法中换向开关连接的电路图；
图5为本发明超声波流速测量方法中ADC采集电路图；
图6为本发明超声波流速测量装置的电路连接图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
参照图1，本发明公开了一种超声波流速测量方法，包括：
在流体通道侧壁同一条直线上间隔设置有第一换能器和第二换能器，其中，第一换能器、第二换能器的发射方向与流体方向形成夹角α；
激励第一换能器使其产生超声波信号，第二换能器接收第一换能器发射的超声波信号；
激励第二换能器使其产生超声波信号，第一换能器接收第二换能器发射的超声波信号；
对采集到的两次超声波信号进行互相关算法处理，获得两次超声波信号传播的时间差；
基于时间差，获得流体速度。
在本实施例中，超声波在流体通道内反射传播，故流道应该具备很好的超声波信号反射效果，每段反射声路路程相等且反射声路为偶数。
参照图2，反射声路为4段，呈W型反射，设定流体速度为V，超声波声速为C，在L1、L2、L3、L4各个声程段的顺流时间为T1、T2、T3、T4，逆流时间为T1'、T2'、T3'、T4'；故
超声波传播方向与流体方向相同：
T1＝L1/(C+VCOS(α))；
T2＝L2/(C+VCOS(α))；
T3＝L3/(C+VCOS(α))；
T4＝L4/(C+VCOS(α))；
超声波传播方向与流体方向不同：
T1'＝L1/(C-VCOS(α))；
T2'＝L2/(C-VCOS(α))；
T3'＝L3/(C-VCOS(α))；
T4'＝L4/(C-VCOS(α))；
式中：L1＝L2＝L3＝L4＝L，L为反射声路的长度；
将超声波逆流传播的总时间减去顺流传播的总时间获得时间差δt；
δt＝4*[2LVCOS(α)/(C2-V2COS2(α))]。
因超声波声速速度远大于流体V，故将时间差δt简化为：
δt＝4*[2LVCOS(α)/(C2)]；
故流体的速度为：
V＝C2 *δt/[4*2*L COS(α)]。即通过多两个换能器的波形采样，应用互相关算法即可得出时间差。而现有技术中在选择超声波信号起始时间测量点上，选择激励超声波换能器方波脉冲的第一个上升沿作为起始时间的测量点，来触发计时器开始计时。在截止信号的测量上，选择阈值触发点的时刻作为截止时间，通过起始时间和终止时间得到超声波的飞行时间。但是如背景技术所述，当受到干扰和气体组分发生变化时，超声波信号的幅值会发生较大的变化，此时得到截止时间会发生偏移，从而造成误差，对飞行时间的精度造成较大影响，而本申请根据上游和下游两个超声波换能器所传播的时间差异来间接测量流速，超声波信号在介质流动方向上的传播速度较快，而在逆流方向时传播速度较慢，根据这个原理，要求在两个换能器之间具有直接通路。在流道设计上，需进行必要的稳流措施。
参照图3，激励所述第一换能器或第二换能器产生超声波信号的为PWM产生电路，PWM产生电路包括NE555芯片。PWM产生电路由包括但不限于NE555在内的计时IC、充放电电容C3、可调节电阻器W1、W2，限流电阻R1和R2以及滤波电容C1组成；该电路通过调整VCC值以及Contrl信号可灵活调整输出PWM方波的幅值，通过所述W1和W2可灵活调节输出PWM方波的频率；W1和W2可使用电子控制型可调电阻器，通过程序即可在线实现PWM的频率和占空比的调整。
具体地，NE555芯片的CTR引脚连接并联设置的Contrl信号和电容C1，NE555芯片的DIS引脚依次通过电阻R1、电阻R2和NE555芯片的OUT引脚连接，NE555芯片的TR3G引脚和THR引脚连接且分别连接二极管D1的阴极、二极管D2的阳极和电容C3的一端，二极管D1的阳极连接电阻R1、电阻R2之间，二极管D2的阴极通过连接调节电阻W2、调节电阻W1连接电阻R1、电阻R2之间。
参照图4，图中J3和J4分别为第一换能器和第二换能器，U4和U5则为换向开关；USS_Signal为超声波换能器的输出信号。通过换向开关用于切换第一换能器和第二换能器的工作状态。换向开关采用集成IC，具体包括但不限于TS5A9411及其同系列低阻模拟开关、上下游换能器、及滤波电容C21和C22。
具体地，当信号需要从上游换能器渡越到下游换能器时，工作过程如下：使能换向开关U4，使PWM信号与上游换能器J3电气接通而与下游换能器J4电气隔离，从而激励上游换能器J3使之产生超声波信号并开始在流道中进行渡越；此时立即切换换向开关U5，使下游换能器J4与后续电路电气接通而上游换能器J3与后续电路电气隔离，当下游换能器J4接收到上游换能器发来的超声波信号后，将产生电压信号并传递给后续电路；
当信号需要从下游换能器J4渡越到上游换能器J3时，工作过程如下：使能换向开关U5，使所述PWM信号与下游换能器J4电气接通而与上游换能器J3电气隔离，从而激励下游换能器J4使之产生超声波信号并开始在流道中进行渡越；此时立即切换换向开关U4，使上游换能器J3与后续电路电气接通而下游换能器J4与后续电路电气隔离，当上游换能器J3接收到下游换能器J4发来的超声波信号后，将产生电压信号并传递给后续电路。
参照图5，通过ADC采集电路采集超声波信号，ADC采集电路包括ADC转换芯片。ADC转换芯片包括但不限于ADS830及其同系列型号。ADC采集电路还包括放大器U7和抗混叠滤波器，该述抗混叠滤波器采用二阶RC电路。根据ADC采集电路采集到的信号，经过MCU进行互相关算法处理，直接得到时间差。
本发明还提供一种上述超声波流速测量装置，包括：
在流体通道侧壁同一条直线上间隔设置有第一换能器和第二换能器，其中，第一换能器、第二换能器的发射方向与流体方向形成夹角α；
用于驱动第一换能器或第二换能器产生超声波信号的PWM产生电路；
用于切换第一换能器和第二换能器的工作状态的换向开关；
用于采集超声波信号的ADC采集电路；以及
用于对采集到的超声波信号进行互相关算法处理的MCU运算单元，其电路连接图如图6所示。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声波流速测量方法，其特征在于，包括：
在流体通道侧壁同一条直线上间隔设置有第一换能器和第二换能器，其中，所述第一换能器、第二换能器的发射方向与流体方向形成夹角α；
激励所述第一换能器使其产生超声波信号，所述第二换能器接收所述第一换能器发射的所述超声波信号；
激励所述第二换能器使其产生超声波信号，所述第一换能器接收所述第二换能器发射的所述超声波信号；
对采集到的两次所述超声波信号进行互相关算法处理，获得两次所述超声波信号传播的时间差；
基于所述时间差，获得流体速度。
2.根据权利要求1所述的超声波流速测量方法，其特征在于，所述超声波在所述流体通道内反射传播，每段反射声路路程相等且反射声路为偶数。
3.根据权利要求2所述的超声波流速测量方法，其特征在于，所述反射声路为4段。
4.根据权利要求3所述的超声波流速测量方法，其特征在于，所述超声波传播方向与所述流体方向相同，则
T1＝L1/(C+VCOS(α))；
T2＝L2/(C+VCOS(α))；
T3＝L3/(C+VCOS(α))；
T4＝L4/(C+VCOS(α))；
所述超声波传播方向与所述流体方向不同，则
T1'＝L1/(C-VCOS(α))；
T2'＝L2/(C-VCOS(α))；
T3'＝L3/(C-VCOS(α))；
T4'＝L4/(C-VCOS(α))；
式中：L1＝L2＝L3＝L4＝L，L为反射声路的长度；T1、T2、T3、T4为顺流时所述超声波在每段述反射声路的时间；T1'、T2'、T3'、T4'为逆流时所述超声波在每段述反射声路的时间；C为所述超声波声速；V为所述流体速度；
将所述超声波逆流传播的总时间减去顺流传播的总时间获得时间差δt；
δt＝4*[2LVCOS(α)/(C2-V2COS2(α))]。
5.根据权利要求4所述的超声波流速测量方法，其特征在于，因所述超声波声速速度远大于所述流体V，故将所述时间差δt简化为：
δt＝4*[2LVCOS(α)/(C2)]；
故所述流体的速度为：
V＝C2 *δt/[4*2*L COS(α)]。
6.根据权利要求5所述的超声波流速测量方法，其特征在于，激励所述第一换能器或所述第二换能器产生超声波信号的为PWM产生电路，所述PWM产生电路包括NE555芯片。
7.根据权利要求6所述的超声波流速测量方法，其特征在于，通过换向开关用于切换所述第一换能器和所述第二换能器的工作状态。
8.根据权利要求7所述的超声波流速测量方法，其特征在于，通过ADC采集电路采集所述所述超声波信号，所述ADC采集电路包括ADC转换芯片。
9.一种超声波流速测量装置，其特征在于，包括：
在流体通道侧壁同一条直线上间隔设置有第一换能器和第二换能器，其中，所述第一换能器、第二换能器的发射方向与流体方向形成夹角α；
用于驱动第一换能器或第二换能器产生超声波信号的PWM产生电路；
用于切换所述第一换能器和所述第二换能器的工作状态的换向开关；
用于采集所述所述超声波信号的ADC采集电路；以及
用于对采集到的所述超声波信号进行互相关算法处理的MCU运算单元。
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