CN116735072A - 一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超声测量压力技术领域，具体地说，涉及一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法及系统；该方法通过在超声波压力计地输出端口串接一个温度误差补偿模块构建声速压力模型；测量前，实时检测管道液体压力、测量液体温度值和校准点对应的超声纵波在管道液体中的传输时间，降噪后选择低温漂电子器件对电路延时进行测量校准，把温度纳入测量中对测量的声速进行温度补偿，建立计算待测管道内液体的压力值和超声波检测参数的计算模型，进行融合处理后运用实测温度进行温度修正，并利用温度测量值进行温度自动补偿。
Description
技术领域
本发明涉及超声测量压力技术领域，具体地说，涉及一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法及系统。
背景技术
传统超声波流量计的主要缺点是精度较低，温度对声速的影响较大，还有管道内外径、管道压力等流体相关环境因素也会影响超声波的测量精度，这导致超声波流量计还没有广泛普及与应用。油液的声速是密度、温度和压力等的多元函数，这些参数之间的关系相当复杂，用传统的数学方法来建立综合校正模型较困难。值得指出的是，对于密封的液压管路，只能测量管路外壁温度，而不能直接获得管内抽液温度。超声波物理性质显示，传播介质的变化会对超声波的传播速度是产生实时的影响，其在不同流体中的传播速度是不一样的。在同一流体中、不同环境温度情况下，声波的传播速度也会有所不同。液体温度的改变影响超声波的传播速度。依照演算被测液体的速度需要用到声速变量。这种情况下，液体的温度会影响到超声波流量测量的精度以及测量结果的可靠性。因此，只有对壁厚声时和固有声电延时进行有效的补偿后，才能获得油液中的声速。
在时差法测流量中，时间差对流量的测量精度也有影响，为了保证超声波流量计的高准确度和高灵敏度测量，必须对温度或时间差进行补偿。传统的温度补偿方法是引入热敏元件，根据温度状态修正测量系统的输出抵消温度影响，比如串接负温度系数的热敏电阻、修改电路增益等，该方法需要增加额外的补偿电路，成本高且比较复杂。超声波在介质中的传播速度与介质密度和弹性模量有关，由于压力发生变化而导致体积弹性模量K、压强p和密度ρ都发生变化，最终导致液体中的超声波传播速度发生变化。温度变化必然引起声速变化，进而一步影响超声波测量流量的结果，因此必须对超声波流量测量进行温度补偿。
发明内容
本发明针对现有技术中无法同时对油液中的声速进行壁厚声时和固有声电延时进行有效的补偿，提出一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法及系统，通过在超声波压力计地输出端口串接一个温度误差补偿模块构建声速压力模型；测量前，实时检测管道液体压力、测量液体温度值和校准点对应的超声纵波在管道液体中的传输时间，降噪后选择低温漂电子器件对电路延时进行测量校准，把温度纳入测量中对测量的声速进行温度补偿，建立计算待测管道内液体的压力值和超声波检测参数的计算模型，进行融合处理后运用实测温度进行温度修正，并利用温度测量值进行温度自动补偿。
本发明具体实现内容如下：
一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：在超声波压力计地输出端口设置温度补偿模块；所述温度补偿模块，用于构建声速压力模型，计算声速；
步骤2：获取待测管道液体压力、待测管道液体温度值和校准点对应的超声波纵波在待测管道液体中的传输时间，并降噪；
步骤3：利用低温漂电子器件校准电路延时，将不同温度下的声速进行温度补偿，建立计算待测管道内液体压力值的计算模型和超声波检测参数的计算模型；
其中，计算待测管道内液体压力值的计算模型是指在标准温度20℃下超声纵波传播时间与液体压力之间构建的映射关系；超声波检测参数是指在标准压力机工作状态不变的情况下，温度变化引起的超声纵波传播速度发生变化，即超声声速变化量；超声波检测参数的计算模型是指在标准压力机工作状态不变的情况下，超声纵波传播时间与温度之间构建的映射关系；
步骤4：将所述计算待测管道内液体的压力值的计算模型和所述超声波检测参数的计算模型融合，根据实际温度进行温度修正，并根据温度测量值进行温度自动补偿。
为了更好地实现本发明，进一步地，在对需要测量的介质分别进行数据校准时，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤21：将每一种介质与一组校准数据对应，校准温度条件；
步骤22：提取温度信息，将流量测量误差和在不同温度下的误差变化与当前的流体温度关联；
步骤23：将压力为零时的初始声速作为温度信息输入至所述声速压力模型中，补偿温度变化带来的流量测量误差，获取液体温度值和校准点对应的超声波纵波在待测管道液体中的传输时间。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤31：利用低温漂电子器件对电路延时进行测量校准，消除电路延时干扰；
步骤32：根据信号温度补偿算法滤波，消除流场干扰值，对待测管道液体分别进行数据校准，并将温度纳入测量中对测量的声速进行温度补偿；
步骤33：获取温度信号，并根据双线性差值算法函数，提取待测管道内液体的压力特征信号，建立计算待测管道内液体的压力值计算模型和超声波检测参数的计算模型。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤41：将从发射超声波换能器获取的超声波信号发射并穿过被测液体的超声波能量转换为电能，根据时间差算法计算声速；
步骤42：将所述超声传输时间和液体测量温度作为输入量输入至所述待测管道内液体压力值的计算模型中放大并转换为电信号；
步骤43：根据所述超声波在液体中的传播速度计算压力值，并将所述声速、密度、声速变化量和密度变化量进行融合；
步骤44：根据融合结果计算压强变化量，获取环境温度，通过数字时间转换器进行温度修正，将温度转换为压力值并根据设定的温度检测值进行温度补偿。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤11：在同一管道、压力和液体介质下，记录不同温度下超声波纵波在待测管道液体中的传输时间，构建声速压力模型；
步骤12：监测声速压力模型的噪声和管道液体压力，并多次测量声速；
步骤13：通过从发射超声换能器获取的超声波信号，向待测液体发射超声波；
步骤14：获取从待测液体反射回来的超声波信号，并产生振荡信号，记录超声波发射时间和超声波接收时间，计算超声波传播时间，产生回波信号；
步骤15：根据超声波信号和回波信号，计算脉冲信号开始和脉冲信号停止之间的时间间隔，并计算脉冲信号强度，调节电路增益，直至脉冲信号强度满足门限要求，得到脉冲信号超过门限的宽度时间和超声波平均传输时间，将所述脉冲时间放大并转换为电信号。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述声速压力模型为：
p*K＝c/c0＝[L2/(T-ts)]/[L2/(T0-ts)]＝(T0-ts)/(T-ts)
其中，p为压力值，K为体积弹性模量，c为超声波在管道液体中的声速，c0为超声波在大气中声速，L2为管壁内径，T为超声波从发射道接收的时间，ts为超声波在声程壁厚中传播的声时，T0为一个大气下测得的传播时间。
为了更好地实现本发明，进一步地，当开始压力测量时，首先生成PWM信号，通过双线性差值算法函数，并根据保存的校准数据，计算当前管道内液体的压力值，然后计算超声发射信号与接收信号之间的时间差，并生成超声驱动信号互补PWM信号，判断是否循环测量N次，若是则进行多组数据计算转换显示压力值，否则返回微处理器产生PWM信号，直到循环测量N次结束。
基于上述提出的超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，为了更好地实现本发明，进一步地，提出一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿系统，包括处理器、数据采集模块、温度补偿模块；
所述温度补偿模块，用于构建声速压力模型，计算声速；
所述数据采集模块，用于获取待测管道液体压力、待测管道液体温度值和校准点对应的超声波纵波在待测管道液体中的传输时间，并降噪；
所述处理器，用于将不同温度下的声速进行温度补偿，建立计算待测管道内液体压力值的计算模型和超声波检测参数的计算模型；将所述计算待测管道内液体的压力值的计算模型和所述超声波检测参数的计算模型融合，根据实际温度进行温度修正，并根据温度测量值进行温度自动补偿。
本发明具有以下有益效果：
(1)本发明声速/压力模型在同一管道、液体介质下，同样压力下记录不同温度下超声纵波在管道液体中的传输时间；综合利用超声波的方向性好、能量高、穿透能力强、遇界面产生反射和折射等重要特性，进行融合处理极大地减小了温度误差，提高了精度和稳定性。从根本上突破了传统压力测试仪表的感应压力元件必须和液体相接触这一限制，从而便于实现封闭液压系统多个部位内部压力的外部测量，不但能够完全克服壁厚的影响，而且能够有效地消除固有声电延时。
(2)本发明通过提取测量管路液体压力特征信号，将所获得的超声压力计的超声信号进行降噪处理，选定时差法作为测量原理并在算法层次对时差法进行了优化，降低了声速对测量结果的影响。在此基础上，结合超声波回波特性和互相关算法原理，利用互相关算法，提高了超声波渡越时间的测量精度。与传统的流量测量方法相比，超声波流量测量技术具有几乎无压损、无阻流部件、非接触式、高精度、测量范围广等优点。
(3)本发明以实测超声传输时间和液体测量温度作为输入量送入计算模型电子电路放大并转换为电信号，计算模型计算系统进行数据分析，数据采集模块采集超声波在液体中的传播速度时刻反推出测量的压力值，利用测得的声速和密度及其变化量的采集数据进行融合处理结果推算出压强变化量，微处理器根据现场实测温度，通过对时间数字转换器TDC定标进行温度修正，信号能量损失小。
附图说明
图1是本发明超声测量管路液体压力的温度测流补偿检测系统示意图；
图2是本发明实施例提供的压力测量的流程图；
图3是本发明实施例提供的电路工作示意图；
图4是发射超声换能器和接收超声换能器运作流程的示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在现有技术中，为了确保压力系统能够安全、可靠地运行，需要针对管道内的流体压力进行检测。在管道内液体的压力检测中，压力和流量是液压系统的基本参数，流量是一个与流动、流态、介质黏度、时间和体积(或质量)相关参数，流动所基于的物理因素与宏观流动不同，流动现象和规律的描述也有所不同，对它的测试比对压力的测试相对比较困难。加之在一定特征尺度范围内，表面积与体积之比增大，对与表面有关的传热、传质过程有很大影响；尺度缩小使得流场中某些梯度量变大，与速度梯度、温度梯度有关的物理参数的作用将增强：界面力(液固、液气)对流动的作用将明显增强。由于液压系统中各元件和油液都是在封闭油路内工作，从而对特征信号的实时测量带来一定困难。特别是，如何在不增加液压系统复杂性的前提下，实现对液压系统工况无任何影响且易于获得多个临时检测部位的压力测量，这对于液压系统快速故障定位具有十分重要的意义。
超声波是机械波，需要经过一定介质才能向外传播，即声波是依靠介质的质点振动传递声能的。由于管道的声弹性效应非常弱且易受干扰，压力所引起超声渡越时间的变化量非常小，并且TOFD超声换能器的性质、安装状况、超声发射和接收电路以及耦合剂等都会对渡越时间有较大影响，而压力的准确测量依赖于渡越时间的高精度测量，因此导致不能高精度测量管道压力。由于测量均有各种误差，滞后性各异。特别是测压管测量气流速度，滞后大，不适用于测量不稳定流动中的气流速度。液体介质在不同温度下的密度弹性模量和密度都会发生变化，所以测得的声速也会变化。传输介质及介质不同，测得的声速也不同，在同一种介质中声速基本是一个常数。外部噪声和被测目标物的回波是不同的，通常不会引起误判。如果干扰源与超声波传感器有同样的频率，就会引起系统的误判。由于超声波最终都是转换为电信号进行测量，测量时间精度是纳秒级，电信号的延时也会引起测量误差。当前的压力校准通常都在实验室内进行，而实验室校准不能完全复现被测对象的现场使用状态，存在一定的修正误差，因此需要通过现场或在线校准解决这些校准难题。由于超声速度与液体压力、液体温度之间均存在线性相关性，而现场的环境温度一般都会偏离。对需要测量的介质分别进行数据校准，每一种介质对应一组校准数据。由于温度会对液体弹性模量和密度造成影响，进而影响超声在液体中的传输时间，而液体压力的检测依赖于检测条件与标定条件的一致性，因此在未考虑温度的影响下将导致不能高精度测量管道压力。加之工作介质的温度直接影响压力传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移，从而影响其准确度。
超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，具有不接触被测液体，安装维护方便的优点，因而超声波经常用于距离的测量，被广泛应用于管道测量等场合。超声波是一种频率超过20kHz的机械波。它沿直线传播，方向性好，传播距离较远。基于超声波是弹性波，利用弹性波波速与介质密度、应力值等相关，在空气中，常温下超声波的传播速度是334m/s，但其传播速度受空气中温度、湿度等因素的影响，其中受温度影响较大，必须要对温度进行测量和补偿，才能避免温度对测量精度的影响。在对测量结果要求不高，或温度变化不大的一般场合，可以认为超声波在空气中的速度近似不变。但超声波在空气中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大。温度漂移导致的数据波动，是影响超声波测量精度的一个重要原因。当温度为20℃时，传播速度约为334m/s，当温度为30℃时，传播速度约为349m/s，在温度相差10℃时声速变化了6m/s。假设测量0.5m外的物体，此时超声波将传播1m。如不考虑温度对传播速度的影响，两次测量结果相差3cm。可见，温度对波速的影响在精确度要求比较高的测量场合是必须被考虑的。这时就要对温度进行补偿，一般可通过测温元件或数字温度传感器来进行补偿，以提高测量精度。根据超声测距的原理，探讨温度对测量精度的影响，说明了温度补偿的必要性。传统超声波流量测量中，温度对声速的影响较大，管道内外径、管道压力等流体相关环境因素也会影响超声波的测量精度。传统超声波流量测量中，温度对声速的影响较大，管道内外径、管道压力等流体相关环境因素也会影响超声波的测量精度。需要按照燃油和红油等不同工作介质分别校准，保存两组校准数据，在测量时需人工选择测量介质。温度变化引起超声波在水中传播速度变化，超声波在水中传播速度变化引起流量测量精度变化。依实验数据，当某个流量点在一个温度下校准后，如果不进行补偿，温度每变化3℃，流量误差变化1％。在首波补偿过程中，首波的判断容易受到干扰的影响，所以，超声波水表必须进行流量测量误差补偿。由于温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略。为了得到较为精确的测量结果，必须对声速进行温度补偿。
传统超声波流量计的主要缺点是精度较低，温度对声速的影响较大，还有管道内外径、管道压力等流体相关环境因素也会影响超声波的测量精度，这导致超声波流量计还没有广泛普及与应用。油液的声速是密度、温度和压力等的多元函数，这些参数之间的关系相当复杂，用传统的数学方法来建立综合校正模型较困难。值得指出的是，对于密封的液压管路，只能测量管路外壁温度，而不能直接获得管内抽液温度。超声波物理性质显示，传播介质的变化会对超声波的传播速度是产生实时的影响，其在不同流体中的传播速度是不一样的。在同一流体中、不同环境温度情况下，声波的传播速度也会有所不同。液体温度的改变影响超声波的传播速度。依照演算被测液体的速度需要用到声速变量。这种情况下，液体的温度会影响到超声波流量测量的精度以及测量结果的可靠性。
声速测压过程中现有声速的测量方法采用相位检测法、幅值检测法、时间差法或超声光栅法。
(1)相位检测法：一种是通过发射不同频率的超声波来实现的，另一种是通过单一的超声波探头进行检测，需要发射波的频率严格一致，并且需要改变反射面的距离或改变频率，实际操作环境中达不到要求。
(2)幅值检测法：先发射一定频率的超声波，接收到的超声波的脉冲强度，可以用反射进行检测，进而求得目标距离，这种方法受液体纯度，精确度和稳定性易受影响。
(3)时间差法：超声波发射器向某一方向发射超声波，并且开始计时，碰到障碍物时立即返回来，超声波接收到信号，立即停止计时。通过计算检测得到的时间和当时的声速，就可以计算出距离。
(4)超声光栅法：介质受到超声波周期性扰动，其折射率也将发生变化，此时光通过这种介质，像透过投射光栅一样，这种现象称为超声致光衍射，把这种载有超声波的透明介质称为超声光栅。利用超声光栅可以计算超声波在透明介质中的速度。此方法需要管线透过介质，此法不适用于本本发明的使用环境。
综上所述，以时间差法为主，幅值检测法为辅，进行声速的测量，测量误差影响因素如下。
(1)温度因素，超声波是机械波，需要经过一定介质才能向外传播，即声波是依靠介质的质点振动传递声能的。液体介质在不同温度下的密度弹性模量和密度都会发生变化，所以测得的声速也会变化。
(2)传输介质因素，介质不同，测得声速也不同，在同一种介质中声速基本是一个常数。
(3)外部噪音因素，外部噪音和被测目标物的回波是不同的，通常不会引起误判。发射信号在与外界噪声融合后会生成杂乱的无序波形，极易受到外界噪声的干扰，造成渡越时间的测量出现较大的误差如果干扰源与超声波传感器有同样的频率，就会引起系统的误判。
(4)电路延时因素，由于超声波最终都是转换为电信号进行测量，测量时间精度是纳秒级，电信号的延时也会引起测量误差。油液中传播的声时、管壁壁厚中传播的声时和固有声电延时，其中固有声电延时主要包括探头延时、耦合层延时、电缆延时、电路延时和接收前沿的触发电平延时等。因此，只有对壁厚声时和固有声电延时进行有效的补偿后，才能获得油液中的声速。
在时差法测流量中，时间差对流量的测量精度也有影响，为了保证超声波流量计的高准确度和高灵敏度测量，必须对温度或时间差进行补偿。传统的温度补偿方法是引入热敏元件，根据温度状态修正测量系统的输出抵消温度影响，比如串接负温度系数的热敏电阻、修改电路增益等，该方法需要增加额外的补偿电路，成本高且比较复杂。超声波在介质中的传播速度与介质密度和弹性模量有关，由于压力发生变化而导致体积弹性模量K、压强p和密度ρ都发生变化，最终导致液体中的超声波传播速度发生变化。温度变化必然引起声速变化，进而一步影响超声波测量流量的结果，因此必须对超声波流量测量进行温度补偿。
实施例1：
本实施例提出一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，具体包括以下步骤。
步骤1：在超声波压力计地输出端口设置温度补偿模块；所述温度补偿模块，用于构建声速压力模型，计算声速。
所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤11：在同一管道、压力和液体介质下，记录不同温度下超声波纵波在待测管道液体中的传输时间，构建声速压力模型；
步骤12：监测声速压力模型的噪声和管道液体压力，并多次测量声速；
步骤13：通过从发射超声换能器获取的超声波信号，向待测液体发射超声波；
步骤14：获取从待测液体反射回来的超声波信号，并产生振荡信号，记录超声波发射时间和超声波接收时间，计算超声波传播时间，产生回波信号；
步骤15：根据超声波信号和回波信号，计算脉冲信号开始和脉冲信号停止之间的时间间隔，并计算脉冲信号强度，调节电路增益，直至脉冲信号强度满足门限要求，得到脉冲信号超过门限的宽度时间和超声波平均传输时间，将所述脉冲时间放大并转换为电信号。
进一步地，所述声速压力模型为：
p*K＝c/c0＝[L2/(T-ts)]/[L2/(T0-ts)]＝(T0-ts)/(T-ts)
其中，p为压力值，K为体积弹性模量，c为超声波在管道液体中的声速，c0为超声波在大气中声速，L2为管壁内径，T为超声波从发射到接收的时间，ts为超声波在声程壁厚中传播的声时，T0为一个大气下测得的传播时间。
步骤2：获取待测管道液体压力、待测管道液体温度值和校准点对应的超声波纵波在待测管道液体中的传输时间，并降噪。
进一步地，在对需要测量的介质分别进行数据校准时，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤21：将每一种介质与一组校准数据对应，校准温度条件；
步骤22：提取温度信息，将流量测量误差和在不同温度下的误差变化与当前的流体温度关联；
步骤23：将压力为零时的初始声速作为温度信息输入至所述声速压力模型中，补偿温度变化带来的流量测量误差，获取液体温度值和校准点对应的超声波纵波在待测管道液体中的传输时间。
步骤3：利用低温漂电子器件校准电路延时，将不同温度下的声速进行温度补偿，建立计算待测管道内液体压力值的计算模型和超声波检测参数的计算模型。
进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤31：利用低温漂电子器件对电路延时进行测量校准，消除电路延时干扰；
步骤32：根据信号温度补偿算法滤波，消除流场干扰值，对待测管道液体分别进行数据校准，并将温度纳入测量中对测量的声速进行温度补偿；
步骤33：获取温度信号，并根据双线性差值算法函数，提取待测管道内液体的压力特征信号，建立计算待测管道内液体的压力值计算模型和超声波检测参数的计算模型。
步骤4：将所述计算待测管道内液体的压力值的计算模型和所述超声波检测参数的计算模型融合，根据实际温度进行温度修正，并根据温度测量值进行温度自动补偿。
进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤41：将从发射超声波换能器获取的超声波信号发射并穿过被测液体的超声波能量转换为电能，根据时间差算法计算声速；
步骤42：将所述超声传输时间和液体测量温度作为输入量输入至所述待测管道内液体压力值的计算模型中放大并转换为电信号；
步骤43：根据所述超声波在液体中的传播速度计算压力值，并将所述声速、密度、声速变化量和密度变化量进行融合；
步骤44：根据融合结果计算压强变化量，获取环境温度，通过数字时间转换器进行温度修正，将温度转换为压力值并根据设定的温度检测值进行温度补偿。
当开始压力测量时，首先生成PWM信号，通过双线性差值算法函数，并根据保存的校准数据，计算当前管道内液体的压力值，然后计算超声发射信号与接收信号之间的时间差，并生成超声驱动信号互补PWM信号，判断是否循环测量N次，若是则进行多组数据计算转换显示压力值，否则返回微处理器产生PWM信号，直到循环测量N次结束。
工作原理：本实施例通过在超声波压力计地输出端口串接一个温度误差补偿模块构建声速压力模型；测量前，实时检测管道液体压力、测量液体温度值和校准点对应的超声纵波在管道液体中的传输时间，降噪后选择低温漂电子器件对电路延时进行测量校准，把温度纳入测量中对测量的声速进行温度补偿，建立计算待测管道内液体的压力值和超声波检测参数的计算模型，进行融合处理后运用实测温度进行温度修正，并利用温度测量值进行温度自动补偿。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，如图1、图2、图3、图4所示，以一个具体的实施例进行详细说明。
如图1所示，超声测量管路液体压力的温度测流补偿系统包括与控制操作系统串联的微处理器、数字信号处理器DSP模块和温度测量模块，与所述微处理器、DSP模块进行并联的超声发射电路、时间数字转换器TDC、超声接收电路、数据采集模块，并将至少一对TOFD发射超声换能器、TOFD接收超声换能器和温度传感器的测量探头布置在待测管道的外表面。
微处理器顺次功率放大电路、超声发射电路、TOFD发射超声换能器，超声发射电路通过时间数字转换器TDC连接微处理器，形成与微处理器相连的第一并联闭环回路。
TOFD接收超声换能器顺次连接超声接收电路、数据采集模块、DSP模块、微处理器相连接，超声接收电路通过时间数字转换器TDC连接微处理器，形成与微处理器相连TDC的第二并联闭环回路。
微处理器在超声波压力计地输出端口串接一个温度误差的补偿软件，声速/压力模型利用软件算法滤波，排除干扰值。
TOFD发射超声换能器产生工作与脉冲方式所需的超声波，TOFD接收超声换能器接收穿透管壁和液体介质后到达的超声波，超声发射电路延时进行的测量校准，排除电路延时干扰。
对需要测量的介质分别进行数据校准，每一种介质对应一组校准数据，把一个温度条件校准后，从声速测压传感系统本身特性上提取温度信息测量，将流量测量误差、在其他温度下的误差变化和当前流体温度关联，用压力为零时的初始声速作为温度信息输入温度测量模块，补偿温度变化带来的流量测量误差，间接地实现管内液体温度的管外测量，实时测量液体温度值和校准点对应的超声纵波在管道液体中的传输时间，将所获得的超声压力计的超声信号进行降噪处理。
降噪后选择低温漂电子器件对电路延时进行测量校准，排除电路延时干扰，采用信号温度补偿算法滤波，清除流场干扰值，对测量的介质分别进行数据校准后，把温度纳入测量中对测量的声速进行温度补偿，将温度测量模块得到的温度信号和其他相关信号一起输送到DSP模块；DSP模块写入双线性差值算法函数，提取测量管路液体压力特征信号，建立计算待测管道内液体的压力值和超声波检测参数的计算模型，利用超声光栅计算超声波在透明介质中的速度。
超声发射电路通过TOFD发射超声波换能器，将其发射并穿过被测液体的超声波能量转换为电能，超声接收电路通过TOFD接收超声波换能器将收到的超声波信号送入TDC，以时间差法为主、幅值检测为辅进行声速的测量，并与微处理器交互数据。
微处理器将实测的超声传输时间和液体测量温度作为输入量送入计算模型电子电路放大并转换为电信号，计算模型计算系统进行数据分析，根据数据采集模块采集超声波在液体中的传播速度时刻反推出测量的压力值，利用测得的声速和密度及其变化量的采集数据进行融合处理，根据处理结果推算出压强变化量；微处理器运用现场实测温度，通过TDC定标进行温度修正，DSP模块转换为压力值并利用温度测量模块温度检测值进行温度自动补偿显示。
补偿软件在同一管道、同样压力的液体介质下，记录不同温度下超声纵波在管道液体中的传输时间，构建声速/压力模型，测量前，声速/压力模型对噪声进行监测，实时检测管道液体压力，在测量中进行多次声速测量。超声发射电路通过TOFD发射超声换能器输出超声波信号，向被测液体发射超声波，超声接收电路接收被测液体反射回来的超声波，产生振荡信号，并记录超声波发射时间和超声波接收时间，计算超声波传播时间，产生回波信号，超声接收电路接收器接收到TOFD接收超声波换能器超声波信号和回波信号，精确测量开始脉冲信号和停止脉冲信号之间的时间间隔，检测脉冲的信号强度，自动调节电路增益，使脉冲信号满足门限要求，得到脉冲信号超过门限的宽度时间和超声波平均传输时间后经过电子电路放大并转换为电信号。
微处理器是整个测流温度补偿检测系统的核心部件，它通过并行接口与键盘相连，DSP模块接收微处理器命令及参数，对于预置参数，除在显示模块上显示外，微处理器主控脉冲产生、信号检测、数字滤波、参数预置及声速计算，当启动系统工作时，输出主控脉冲至补偿软件，并利用超声接收电路输出的时间信号进行检测，经计算后得到声速，通过通信接口送到数据处理计算机进行处理得到压力值。
数据采集模块相连温度模块，数据采集模块处理后的数字信号输入DSP模块，进行滤波变换处理，DSP模块将提取到的有效信号进行数据融合和计算后送入微处理器，温度模块以超声纵波在管道液体传输时间t和温度传感器的数据T作为输入数据，使用线性插值算法计算每个压力对应校准时间点tj：
tj＝ti+(Ti-T)*[(ti+1-t)/(Ti+1-T)]
其中，ti为小于且与实测超声纵波在管道液体传输时间t相邻的校准时间点ti，ti+1为大于且与实测超声纵波在管道液体传输时间t相邻的校准时间点，Ti为校准时间点ti对应的校准温度点，Ti+1为校准时间点ti+1对应的校准温度点。
为了使检测温度更接近液体的真实温度，温度传感器外部除与管道接触面外都做隔热处理外，通过高低温试验箱来控制设定温度，在温度为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃的温度点下，从0MPa开始直至压力测量上限均匀选取10个压力测量点，分别测量该压力测量点工作压力的超声纵波在管道液体的传输时间。每次切换温度需在温度到达设定点后等待半小时，以确保管道液体内的温度与温箱内的温度达到一致，并在系统中将检测超声纵波在管道液体传输时间数据、压力数据、温度数据作为校准数据予以保存。
温度测量模块以超声纵波在管道液体传输时间t和温度传感器的数据T作为输入数据，微处理器在检测前，构建校准点温度、校准点压力对应超声传播时间的数据库，并利用DSP模块写入的双线性差值算法函数，计算实时测量超声纵波在管道液体中的传输时间、液体温度值和校准点对应的超声纵波在管道液体中的传输时间和待测管道内液体的压力值。
超声接收电路、超声发射电路通过校准时间点tj，使用线性插值法计算出压力值p与校准时间点tj对应的压力值pj的比值，p/pj＝1+(t-tj)*[(pi+1-pj)/pj(tj+1-tj)]，最后为了验证模型的准确性，将测试管道放置在环境温度下，通过全自动压力校验台将管道液体加压到不同的压力值，此时与超声压力计上显示的数值进行比对，得到基本都在2％值范围内的压力测量误差，达到了较高的测量精度，其中，tj+1为大于且与校准时间点tj相邻的校准时间点，pj+1为校准时间点ti+1对应的压力值。
控制操作系统包括一块LCD触摸屏，并通过RS232与上位机通信来控制系统压力测量、压力清零和压力校准功能的操作，微处理器通过PWM波控制超声发射电路发射出110V的高压脉冲来激发TOFD发射超声换能器产生超声波；TOFD接收超声换能器将接收到的超声波转换为电信号通过超声接收电路滤波、放大，传送给TDC和数据采集模块，TDC将收到的信号进行量化，通过DSP进行FIR滤波处理，并将采集处理后，与温度数据同时上传到微处理器中；微处理器将时间信号用DSP模块处理后的波幅－时间数据进行修正，得到可靠地超声在管道液体中的传播时间与液体温度。时间数字转换器TDC型号为MS1030。
如图2所示，开始压力测量时，微处理器产生PWM信号，通过双线性差值算法函数，利用系统内部保存的校准数据，算出当前管道内液体的实时压力值，分两路分别送入数据采集模块和温度测量模块，数据采集模块每次数据以100Hz的频率进行至少50次的采集模数ADC信号，ADC信号采集多组数据计算转换，通过FIR低通滤波器、中位值平均滤波法去除每次测量中的异常值，时间数字转换器TDC测量超声发射信号与接收信号之间的时间差，并以总线形式将数据反馈给微处理器产生超声驱动信号互补PWM波，并对TDC时间数字转换器TDC的时间和温度测量模块的测量数据进行算法融合处理，判断温度测量模块是否循环测量N次结束，是则进行多组数据计算转换显示压力值，否则返回微处理器产生PWM信号，直到循环测量N次结束。采用2.5MHz的TOFD超换能器可使系统的时间测量精度达到0.1ns以内。
如图3所示，微处理器产生PWM信号，通过超声发射电路将功率放大输出的信号进行隔离电压放大和功率放大，通过互感耦合对超声换能器进行驱动，通过超声接收电路送入TOFD发射超声换能器工作与脉冲方式，产生工作所需的超声波，超声接收电路接收TOFD发射超声换能器用于接收穿透管壁和液体介质后到达的超声波，将检测到的超声波衍射时间差送入TOFD接收超声换能器，超声接收电路将接收到的超声信号进行阻抗匹配，再采用高增益集成运算放大器滤波降噪，滤波降噪后使信号强度最大、失真最小，分为两路分别进行电压适配和ADC信号采集，提供给时间数字转换器TDC进行测量；时间数字转换器TDC采用TDC的算法，通过传送门时钟信号对要计量的时间范围进行采样计数，测量时间间隔，根据首尾相接的逻辑门按口字型摆放并计数值来计算时间值。
计算模型依据实时测量超声纵波在管道液体中的传输时间、液体温度值和校准点对应的超声纵波在管道液体中的传输时间、液体温度值计算待测管道内液体的压力值；在检测前，构建校准点温度、校准点压力对应超声传播时间的数据库。
如图4所示，声速/压力模型将待测管道的管壁厚度设为L1和L3，管壁内径设为L2，系统延时设为t0和t0’，管壁中的传播时间设为t1和t3，测量前选择对应的管径和液体介质中的传播时间为t2，在系统电路和TOFD超声换能器确定后，具体场合是一个定值，令ts＝t0+t1+t3+t0’，则每次测量的总时间为：T＝t0+t1+t2+t3+t0’，计算超声波在管道液体中的声速：c＝L2/(T-ts)，得到超声波测管道内部液体压力的数学模型公式：
p*K＝c/c0＝L2/(T-ts)/(L2/(T0-ts)＝(T0-ts)/(T-ts)，利用这一公式，可以通过测得的超声波在管道内的传播时间的变化来推导管道内部压力的变化情况，其中，T0为一个大气下测得的传播时间，t0、t0’、t1和t2是与超声波在流体中传播的无关量，ts为在声程壁厚中传播的声时。
计算模型根据已知被测流体和在一定温度下声速随着压力增高而线性地增加的性质，即：c/c0＝p*K，按下式计算超声波穿过静态液体时的声速：
式中，K为体积弹性模量，ρ为介质密度，dp、dρ分别为压强和密度的微小变化量，由上式可以，通过测得的声速和密度及其变化量就推算出压强变化量，红油和燃油都属于烃类物质，其声学特性符合Kneser液体的规律。
根据比卡尔的研究成果及《声学手册》提供的实验数据，有以下几个结论：在一定压力下，声速随温度的增高而线性减小；压力越高、温度影响越弱，在压力波动范围不大的情况下，温度影响可以忽略；不同介质液体的声速值不同。
准确地测量出超声波在液体中的传播速度后，然后对超声波脉冲信号进行不同的调制，调制后根据规律对应关系计算出流体流速数据，得出流量信息，推导出流体速度与压差之间的联系，演算出流量的数值。
声速/压力模型测量时以实测超声传输时间和液体测量温度作为输入量，首先在x方向进行线性插值，在y方向进行线性插值，然后代入计算模型求得管道液体压力，计算模型采用双线性插值算法的函数公式：
f(x,y)＝f(XF,YF)*(1-(x-XF))*(1-(y-YF))+f(XF+1,YF)*(x-XF)*(1-(y-YF))+f(XF,YF+1)*(1-(x-XF))*(y-YF)+f(XF+1,YF+1)*(x-XF)*(y-YF)，计算出最终压力值f(x，y)。
其中，x为超声纵波在管道液体传输时间，y为测得的液体温度值，XF为校准点对应的超声传输时间，YF为校准点对应的液体温度值，f(XF，YF)为校准点对应的压力值。
该方法不但能够完全克服壁厚的影响，而且能够有效地消除固有声电延时。
本实施例采用与控制操作系统串联的微处理器、数字信号处理器DSP模块、温度测量模块，与所述微处理器、DSP模块进行并联的超声发射电路、时间数字转换器TDC、超声接收电路、数据采集模块，并将至少一对TOFD超声换能器和温度传感器的测量探头布置在待测管道的外表面，具有价格低廉，架构简单的优点。时间数字转换器TDC利用信号通过逻辑门所需要的绝对时间延迟精确量化时间间隔，时差的温漂小，分辨精度最高可以达到22ps，为实现时差法高精度测量提供了保障。脉声速/压力模型在同一管道、液体介质下，同样压力下记录不同温度下超声纵波在管道液体中的传输时间；综合利用超声波的方向性好、能量高、穿透能力强、遇界面产生反射和折射等重要特性，对实验采集数据的融合处理结果表明，该系统性能良好，极大地减小了温度误差，提高了温度传感器的精度和稳定性。从根本上突破了传统压力测试仪表的感应压力元件必须和液体相接触这一限制，从而便于实现封闭液压系统多个部位内部压力的外部测量。
本实施例采用微处理器在超声压力计地输出端口串接一个温度误差的补偿软件，补偿软件采用信号温度补偿算法，写入双线性差值算法函数，依据实时测量超声纵波在管道液体中的传输时间、液体温度值和校准点对应的超声纵波在管道液体中的传输时间、液体温度值计算待测管道内液体的压力值，提取测量管路液体压力特征信号，将所获得的超声压力计的超声信号进行降噪处理，选定时差法作为测量原理并在算法层次对时差法进行了优化，降低了声速对测量结果的影响。在此基础上，结合超声波回波特性和互相关算法原理，利用互相关算法，提高了超声波渡越时间的测量精度。与传统的流量测量方法相比，超声波流量测量技术具有几乎无压损、无阻流部件、非接触式、高精度、测量范围广等优点。
本实施例采用超声发射电路通过超声波换能器将电能转换为超声波能量，信号放大后将其发射并穿过被测液体，超声接收电路接收超声波换能器接收到超声波信号，通过TDC，以时间差法为主、幅值检测为辅进行声速的测量，并与微处理器交互数据，受液体温度、管体振动影响小，信号识别灵敏度高，提升了信号识别度，进而提高超声波流量测量的精度。通过时差算法优化后，即降低了补偿算法的计算量，又受液体温度、管体振动影响小了温度传感器的设计与控制，精简了电路的结构。
本实施例以实测超声传输时间和液体测量温度作为输入量送入计算模型电子电路放大并转换为电信号，计算模型计算系统进行数据分析，数据采集模块采集超声波在液体中的传播速度时刻反推出测量的压力值，利用测得的声速和密度及其变化量的采集数据进行融合处理结果推算出压强变化量，微处理器根据现场实测温度，通过对时间数字转换器TDC定标进行温度修正，信号能量损失小。
结果表明：经过补偿，零点温度漂移量由未经补偿的138mV降低到14mV，零点标准偏差由未经补偿的21％降低为1.8％，达到一个数量级；灵敏度温度漂移量由未经补偿的12.3mV减少到0.9mV，灵敏度标准偏差由未经补偿的20.3％降低为1.4％，也达到一个数量级，补偿效果十分明显。并且在整个补偿过程中并不需要太多的人工干预，完全实现了自动补偿，补偿效果非常理想。相对首波补偿，温度补偿受到干扰的影响较小。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1－实施例2任一项的基础上，提出一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿系统，包括处理单元、数据采集模块、温度补偿模块；
所述温度补偿模块，用于构建声速压力模型，计算声速；
所述数据采集模块，用于获取待测管道液体压力、待测管道液体温度值和校准点对应的超声波纵波在待测管道液体中的传输时间，并降噪；
所述处理单元，用于将不同温度下的声速进行温度补偿，建立计算待测管道内液体压力值的计算模型和超声波检测参数的计算模型；将所述计算待测管道内液体的压力值的计算模型和所述超声波检测参数的计算模型融合，根据实际温度进行温度修正，并根据温度测量值进行温度自动补偿。
本实施例的其他部分与上述实施例1－实施例2任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在超声波压力计地输出端口设置温度补偿模块；所述温度补偿模块，用于构建声速压力模型，计算声速；
步骤2：获取待测管道液体压力、待测管道液体温度值和校准点对应的超声波纵波在待测管道液体中的传输时间，并降噪；
步骤3：利用低温漂电子器件校准电路延时，将不同温度下的声速进行温度补偿，建立计算待测管道内液体压力值的计算模型和超声波检测参数的计算模型；
步骤4：将所述计算待测管道内液体的压力值的计算模型和所述超声波检测参数的计算模型融合，根据实际温度进行温度修正，并根据温度测量值进行温度自动补偿。
2.根据权利要求1所述的一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，其特征在于，所述步骤1具体包括以下步骤：
步骤11：在同一管道、压力和液体介质下，记录不同温度下超声波纵波在待测管道液体中的传输时间，构建声速压力模型；
步骤12：监测声速压力模型的噪声和管道液体压力，并多次测量声速；
步骤13：通过从发射超声换能器获取的超声波信号，向待测液体发射超声波；
步骤14：获取从待测液体反射回来的超声波信号，并产生振荡信号，记录超声波发射时间和超声波接收时间，计算超声波传播时间，产生回波信号；
步骤15：根据超声波信号和回波信号，计算脉冲信号开始和脉冲信号停止之间的时间间隔，并计算脉冲信号强度，调节电路增益，直至脉冲信号强度满足门限要求，得到脉冲信号超过门限的宽度时间和超声波平均传输时间，将所述脉冲时间放大并转换为电信号。
3.根据权利要求2所述的一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，其特征在于，所述声速压力模型为：
p*K＝c/c0＝[L2/(T-ts)]/[L2/(T0-ts)]＝(T0-ts)/(T-ts)
其中，p为压力值，K为体积弹性模量，c为超声波在管道液体中的声速，c0为超声波在大气中声速，L2为管壁内径，T为超声波从发射到接收的时间，ts为超声波在声程壁厚中传播的声时，T0为一个大气下测得的传播时间。
4.根据权利要求1所述的一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，其特征在于，在对需要测量的介质分别进行数据校准时，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤21：将每一种介质与一组校准数据对应，校准温度条件；
步骤22：提取温度信息，将流量测量误差和在不同温度下的误差变化与当前的流体温度关联；
步骤23：将压力为零时的初始声速作为温度信息输入至所述声速压力模型中，补偿温度变化带来的流量测量误差，获取液体温度值和校准点对应的超声波纵波在待测管道液体中的传输时间。
5.根据权利要求4所述的一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤31：利用低温漂电子器件对电路延时进行测量校准，消除电路延时干扰；
步骤32：根据信号温度补偿算法滤波，消除流场干扰值，对待测管道液体分别进行数据校准，并将温度纳入测量中对测量的声速进行温度补偿；
步骤33：获取温度信号，并根据双线性差值算法函数，提取待测管道内液体的压力特征信号，建立计算待测管道内液体的压力值计算模型和超声波检测参数的计算模型。
6.根据权利要求5所述的一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：
步骤41：将从发射超声波换能器获取的超声波信号发射并穿过被测液体的超声波能量转换为电能，根据时间差算法计算声速；
步骤42：将所述超声传输时间和液体测量温度作为输入量输入至所述待测管道内液体压力值的计算模型中放大并转换为电信号；
步骤43：根据所述超声波在液体中的传播速度计算压力值，并将所述声速、密度、声速变化量和密度变化量进行融合；
步骤44：根据融合结果计算压强变化量，获取环境温度，通过数字时间转换器进行温度修正，将温度转换为压力值并根据设定的温度检测值进行温度补偿。
7.根据权利要求1所述的一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法，当开始压力测量时，首先生成PWM信号，通过双线性差值算法函数，并根据保存的校准数据，计算当前管道内液体的压力值，然后计算超声发射信号与接收信号之间的时间差，并生成超声驱动信号互补PWM信号，判断是否循环测量N次，若是则进行多组数据计算转换显示压力值，否则返回微处理器产生PWM信号，直到循环测量N次结束。
8.一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿系统，其特征在于，包括处理模块、数据采集模块、温度补偿模块；
所述温度补偿模块，用于构建声速压力模型，计算声速；
所述数据采集模块，用于获取待测管道液体压力、待测管道液体温度值和校准点对应的超声波纵波在待测管道液体中的传输时间，并降噪；
所述处理模块，用于将不同温度下的声速进行温度补偿，建立计算待测管道内液体压力值的计算模型和超声波检测参数的计算模型；将所述计算待测管道内液体的压力值的计算模型和所述超声波检测参数的计算模型融合，根据实际温度进行温度修正，并根据温度测量值进行温度自动补偿。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310503887.5A CN116735072A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法及系统 |
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| CN202310503887.5A CN116735072A (zh) | 2023-05-06 | 2023-05-06 | 一种超声测量管路液体压力的温度测流补偿方法及系统 |
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2023
- 2023-05-06 CN CN202310503887.5A patent/CN116735072A/zh active Pending
Cited By (4)
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| CN117368518B (zh) * | 2023-12-04 | 2024-02-23 | 湖北工业大学 | 一种管道内超声波飞行时间的测量系统及方法 |
| CN117491100A (zh) * | 2023-12-28 | 2024-02-02 | 杭州泽天春来科技股份有限公司 | 烟气等速采样装置及方法 |
| CN117491100B (zh) * | 2023-12-28 | 2024-04-12 | 杭州泽天春来科技股份有限公司 | 烟气等速采样装置及方法 |
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