CN117073810B - 一种超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法，本发明提出的方法只需要计算渡越时间相对变化量，不需要考虑声路传输的各级传输延时的绝对值是多少，也不用考虑信号传输过程中的波形变化的影响，测量方法简单，测试可操作行好。同时本发明提供了对应的装置，可以作为一个集成模块嵌入到超声波流量计的测量电路中，工作流程与流量测量主机电路控制逻辑同步，也可以作为一个独立模块通过输入输出接口与超声波流量计的测量电路连接并通信。流量测量主机利用本装置可以进行某个声道的单独正程或者单独逆程测量进行延时控制，也可以对所有声道正程及逆程测量都进行延时控制。
Description
技术领域
本发明涉及超声波流量计技术领域，特别一种超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法。
背景技术
超声波流量计是目前工业领域常用的流量计量仪表之一，在流量测量领域有广泛的应用。其基本原理是通过测量介质流速，通过时差法实现流量的测量。时差法具有很高的准确度，且计量方便、精度较高，但对介质流速有要求。如果介质流速较高时，其测量误差较大；而当介质流速较低时，测量精度也不高。目前国内在这方面研究比较多的是渡越时间法，其原理是通过测量超声波在介质中传播的时间来确定介质的流速。目前有多种渡越时间测量方法，但对渡越时间精度的检测方法比较少，本发明主要涉及一种检测超声波流量计渡越时间精度的方法及装置，通过计算原理与实例相结合的方式，介绍如何用该方法实现超声波流量计的渡越时间测量精度检测。
超声波流量计以测量声波在流动介质中传播的时间与流量的关系为原理，通过提取管道内的流速信息，进行流体的流量测量。通常认为声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度cf和流体轴向平均流速v在声波传播方向上的分量组成。按图5所示，其中A为上游探头，B为下游探头，则该声道上的传播关系有：
式(1)中，
tAB——超声波在流体中顺流传播的渡越时间；
tBA——超声波在流体中逆流传播的渡越时间；
L——声道长度；
cf——声波在流体中传播的速度；
v——流体的轴向平均流速；
——声道角度。
流体流速的表达式如公式(2)所示：
对于超声波流量计来说，其体积流量可通过时差法测量所得各声道声速的积分值乘以过流面积，即可得到体积流量Qv，如下：
式(3)中，
R——被测管道半径；
Wi——i声道积分权重值；
流速决定了体积流量的计算误差，故可以通过控制声道传输时间差的方法来实现体积流量的模拟流态变化的状态，从而实现在静态实验环境中模拟实流状态下的体积流量计算结果测试。
因此，超声波流量计的渡越时间大小可以用来衡量超声波流量计的准确度，渡越时间的精度可以反映流量计对流体流动状况的正确反映程度，这对流量测量是至关重要的。
目前渡越时间的测量方法有很多，例如延迟线内插法、电子计数法、双线法和多点法等，不同的方法测出的渡越时间不同。在实际应用中，可以用多次测量超声波在不同介质中传播所需要的时间来计算渡越时间。但当介质流速很低时，多次测量得到的渡越时间相差很大，无法进行比较和分析。同时当超声波在流体中传播时，还会受到流体对超声波传播速度和频率等因素影响，所以在实际应用中也难以准确测量出渡越时间。
因此，有必要对超声波流量计渡越时间进行检测。通过检测超声波流量计对流体流动状况的正确反映程度可以确定流量测量精度是否符合要求。目前对超声波流量计渡越时间测量精度进行检测比较有效的方法是采用脉冲重复频率法(Pulse-repetitivefrequency,PRF)、FPGA或时间芯片GP22进行超声波渡越时间的高精度测量。脉冲重复频率法具有简单、快速等特点，可以用来检测超声波流量计的渡越时间精度。但这种方法不能消除流体对超声波传播速度和频率等因素影响，而且对流量测量精度要求高。FPGA或时间芯片GP22测量法的测量精度一般能达到100ps左右，但是在渡越时间测量精度检测方面没有相应的方法和装置。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种自动化程度高、集成度高、操作简单方便的超声波流量计渡越时间测量精度检测方法及装置，实现超声波传输时间测量精度的自动检测和自动修正校准功能。
本发明的技术方案为：一种超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1、渡越时间测量精度检测装置进行正程渡越时间t1及逆程渡越时间t2的测量；
Step2、渡越时间测量精度检测装置对于渡越时间测量精度检测的次数n；
Step3、渡越时间测量精度检测装置设定并发送延时器延时时间T0；
Step4、先测量延时后正程渡越时间，获取测量值t3(n)，同时测量延时后逆程渡越时间测量，获取测量值t4(n)；
Step5、调用Step1测量的t1、t2计算测量值时间差Δt1(n)和Δt2(n)，公式如下：
Δt1(n)＝t3(n)-t1；
Δt2(n)＝t4(n)-t2；
Step6、对比Δt1(n)、Δt2(n)与T0的误差，误差计算公式如下：
Step7、重复Step4～Step6，计算第n次测量后得到渡越时间测量的正程或逆程时间差的修正系数Kn，计算公式如下，正程为i＝1，逆程为i＝2，
Step8、对n次计算所得正程或逆程时间差的修正系数取平均值；
Step9、通过该系数用来修正t3、t4，计算修正后的正逆程渡越时间t33、t44；修正公式如下：
作为上述技术方案的进一步改进：
优选地，所述渡越时间测量精度检测装置包括：
高精度脉冲延时控制器，所述高精度脉冲延时控制器用于控制脉冲延迟输出3ns至2us，延时调步进为10ps，延时精度不小于100ps；
延时设定值输入接口，所述延时设定值输入接口与高精度脉冲延时控制器相连接，用于接受流量测量主机外部MCU的控制指令，从而改变脉冲输出延时长度；
方波信号输出接口，所述方波信号输出接口与高精度脉冲延时控制器相连接，用于将脉冲延时信号输出给后续外部信号放大机构，实现对脉冲延时的控制；
复位控制接口，所述复位控制接口与高精度脉冲延时控制器相连接，用于通过所述方波信号输出接口接收外部MCU控制指令，从而实现对脉冲延时的控制。
优选地，所述高精度脉冲延时控制器包括：
控制芯片，所述控制芯片为数字可编程延迟发生器，提供输入脉冲的可编程时间延迟，执行发射、接收和延时脉冲信号的功能；
装置本体，所述装置本体上设置有脉冲发射端口TP3、复位端口TP2和脉冲接收端口TP1，连接所述控制芯片。
优选地，所述装置主体上复位端口TP2与按钮开关K1相连，负责手动状态下装置复位。
优选地，所述控制芯片上设置有两组电位开关，在延时控制器无法自动获得延迟信号时进行手动控制所用，分别负责延时设定值手动输入及寄存器控制线。
优选地，所述控制芯片通过D0-D7端口与流量测量主机外部MCU进行通讯，用于接收脉冲输出延时指令。
为了将本上述方法与装置应用实际中，本发明还提供了一种应用渡越时间测量精度检测装置的系统，其特征在于，包括：
流量测量主机，所述流量测试主体设置于集成电器柜内，所述流量测量主机为超声波流量测量的核心，负责所有声道渡越时间测量和流量计算；
集成电气柜，所述流量测量主机设置于集成电气柜内，用于对流量测量主机进行供电；
渡越时间测量精度检测装置，所述渡越时间测量精度检测装置嵌入到所述流量测量主机的超声波激励信号发射控制电路中，所述流量测量主机通过输入和输出接口与渡越时间测量精度检测装置进行连接和通信，所述渡越时间测量精度检测装置用于精确控制渡越时间的测量值；
介质流量测量管道，所述介质流量测量管道包含待测试超声波流量计的所有超声波探头，并按照相应的声道布置要求进行探头部署，所述介质流量测量管道通过输入和输出接口与流量测量主机进行连接和通信。
作为上述技术方案的进一步改进：
优选地，所述介质流量测量管道包括声路超声波接收探头与声路超声波发射探头。
优选地，所述流量测量主机内包括依次连接的收发切换模块、声路顺序切换模块、回波接收模块、回波放大模块、时间测量模块、MCU模块、方波脉冲发生模块、逻辑缓冲器/同向器模块、渡越时间测量精度检测装置、MOS管1级放大模块、中周升压变压器2级放大模块、声路顺序切换模块、收发切换模块。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明提出的方法只需要计算渡越时间相对变化量，不需要考虑声路传输的各级传输延时的绝对值是多少，也不用考虑信号传输过程中的波形变化的影响，测量方法简单，测试可操作行好。
2、本发明提出的装置可以作为一个集成模块嵌入到超声波流量计的测量电路中，工作流程与流量测量主机电路控制逻辑同步，也可以作为一个独立模块通过输入输出接口与超声波流量计的测量电路连接并通信。流量测量主机利用本装置可以进行某个声道的单独正程或者单独逆程测量进行延时控制，也可以对所有声道正程及逆程测量都进行延时控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的超声波流量计渡越时间测量精度检测装置功能框图；
图2是本发明的高精度脉冲延时控制器电路原理图；
图3是本发明的超声波流量计渡越时间测量精度检测装置应用场景系统功能框图；
图4为本发明的检测修正方法流程图；
图5为本发明背景技术中流量计单个声道上速度的测量示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
本发明的描述中，需要理解的是，术语中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”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，仅是为了方便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，因此不能理解为对本发明的限制，本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。
本发明提供如下技术方案：
为实现上述目的所采用的技术方案是：在超声波流量计测量电路单个声道激励信号发射电路单元中，MCU通过设定高精度脉冲延时发生器(高精度延时器)的延时时间Tm，来改变声路中的信号脉冲传输时间，从而间接改变流量计主机的渡越传输测量时间Ta；
假设没有延时调整时Tm＝T0，此时流量计的声路的正程传输时间Ta为T1,(T1为流量计的声路渡越时间值)；
当Tm＝T0+Δt1时(Δt1为数字延时脉冲发生器的设定值)，Ta＝T2(T2为流量计的声路渡越时间测量值)；
当Tm＝T0+Δt2时(Δt2为数字延时脉冲发生器的设定值)，Ta＝T3(T3为流量计的声路渡越时间测量值)；
理论上T2-T1＝Δt1；T3-T2＝Δt2；
通过测量计算T2-T1的值，T3-T2的值，并分别与时间差的标准值Δt1和Δt2比对即可精确得到流量计声路传输时间测量的误差。
以正交八声道液体超声波流量计典型的测量参数(管道内径D＝0.4m，声路夹角α＝45°，声速c＝1265m/s，超声波激励信号频率f＝1MHz，介质温度226℃，管道压力7.8MPa)为例，对回波检测导致的时间测量误差进行分析。
大流量(2100t/h)实际工况下(@外侧声道流速3.6m/s，内侧声道流速5.8m/s)，外侧声道正程传输时间316.939913us，外侧声道逆程传输时间318.217849us，外侧声道传输时间差1277.936ns。内侧声道正程传输时间449.514128us，内侧声道逆程传输时间452.437852，内侧声道传输时间差2923.724ns。
小流量(135t/h)实际工况下(@外侧声道流速0.308m/s，内侧声道流速0.339m/s)，外侧声道正程传输时间317.522938us，外侧声道逆程传输时间317.632272us，外侧声道传输时间差109.334ns。内侧声道正程传输时间450.885825us，内侧声道逆程传输时间451.056710，内侧声道传输时间差170.885ns。
由流速计算公式(2)可推导出：(其中Δt为正逆程时间之差)可知在声路长度一定情况下，传输时间差的误差决定了流速的计算误差，为了精确的模拟超声波的飞行时间，要求时间延迟控制精度≤0.1ns(100ps)，从而保证流速误差在0.1％(0.1ns/109ns)以下。
如附图1所示，为本发明提供的超声波流量计渡越时间测量精度检测装置，包括高精度脉冲延时控制器、方波触发信号输入接口、延时设定值输入接口、复位控制接口和方波信号输出接口等部分。其中高精度脉冲延时控制器可控制脉冲延迟输出3ns至2us，延时可调步进为10ps，延时精度不小于100ps。延时设定值输入接口负责接受流量测量主机外部MCU的控制指令，从而改变脉冲输出延时长度。复位控制接口通过方波信号输出接口接收外部MCU控制指令，从而实现对脉冲延时的控制。
当接收到外部MCU的控制指令后，方波触发信号输入接口将通过高精度脉冲延时控制器输出的3ns至2us脉冲延时信号通过方波信号输出接口输出给后续外部信号放大机构，从而实现对脉冲延时的控制。在正常工作状态下，当外部MCU发出脉冲延时指令后，复位端口及延时设定值输入接口等控制接口将根据脉冲延时设定值输入脉冲延时信号进行脉冲延时。此外本发明在传统外部MCU控制基础上，通过嵌入电位开关可采用手动方式将延时值输入到延时设定值输入接口中，并通过复位控制接口嵌入开关进行手动触发控制，从而实现对方波触发信号进行延时处理，避免了本发明应用到实际流量计场景时可能存在的被检流量计主控芯片接口不足或程序录入繁琐等问题，从而提高了整个装置的适用性和稳定性。
如附图2所示，为本发明高精度脉冲延时控制器的电路图，由图可知，主要由装置主体和控制芯片组成；所述芯片为AD9501，是一种数字可编程延迟发生器，提供输入脉冲的可编程时间延迟。AD9501通过单个5V电源工作，兼容TTL或cmos，能够提供分辨率低至10ps的精确定时调整。其精度和可编程性使其非常适合用于数据倾斜和脉冲延迟应用以及时钟定时调整。满量程延迟范围由外部电阻和电容组合设置，单个AD9501的延迟范围为2.5ns至10us。一个8位数字字在满量程范围内选择一个时间延迟。当由输入脉冲的上升沿触发时，AD9501的输出将被延迟，其延迟量等于所选的时间延迟(tp)加上固有传播延迟(tPD)。AD9501可用于0℃至70℃的商业温度范围，采用20引脚塑料DIP和20引脚塑料引脚芯片载体(PLCC)。
如附图3所示，为超声波流量计渡越时间测量精度检测装置应用场景下的系统图，具体包括渡越时间测量精度检测装置、流量测量主机、集成电气柜和介质流量测量管道等部分。
其中流量测量主机是进行超声波流量测量的核心，负责所有声道渡越时间测量和流量计算。流量测量主机通过输入和输出接口与渡越时间测量精度检测装置进行连接和通信。渡越时间测量精度检测装置嵌入到流量测量主机的超声波激励信号发射控制电路中，从而精确控制渡越时间的测量值。介质流量测量管道包含待测试超声波流量计的所有超声波探头，并按照相应的声道布置要求进行探头部署。
实际信号传递方式为，流量测量主机MCU控制方波脉冲发生器产生脉冲，经由逻辑脉冲缓冲器将脉冲信号整理后输入至本发明装置内，同时本装置通过延时设定值输入接口在接收到外部MCU的控制指令后，改变脉冲输出延时长度，而后将延迟后的脉冲方波信号输入1级MOS放大器进行初步放大，后经由中周生压变压器进行2级放大；放大后脉冲信号在超声波流量计测量电路单个声道激励信号发射电路单元中，将设定好的延时Tm作为高精度脉冲延时发生器(高精度延时器)的控制脉冲，从而使发射出的超声波信号能够在声路中稳定地传输；在超声波流量计测量电路单个声道信号接收电路单元中，探头接收来自管道中的液体或气体流动产生的声波脉冲，并将其转换成电信号，将收到的电信号经放大、整形、滤波、A/D转换和计算处理后，得到一个包含时延分量的时延-频率信号，最终可通过如图4所示流程处理对实际渡越时间的准确性进行检测。
本发明提出的装置可以作为一个集成模块嵌入到超声波流量计的测量电路中，工作流程与流量测量主机电路控制逻辑同步，也可以作为一个独立模块通过输入输出接口与超声波流量计的测量电路连接并通信。流量测量主机利用本装置可以进行某个声道的单独正程或者单独逆程测量进行延时控制，也可以对所有声道正程及逆程测量都进行延时控制。
如附图4所示，为本发明所述装置的工作流程。装置嵌入到流量测量主机的控制逻辑流程中，准备好后系统开始运行。具体包括以下步骤：
1、渡越时间测量精度检测装置进行正程渡越时间t1及逆程渡越时间t2的测量；
2、渡越时间测量精度检测装置对于渡越时间测量精度检测的次数n；
3、渡越时间测量精度检测装置设定并发送延时器延时时间T0；
4、先测量延时后正程渡越时间，获取测量值t3(n)，同时测量延时后逆程渡越时间测量，获取测量值t4(n)；
5、调用步骤1中测量的t1、t2计算测量值时间差Δt1(n)和Δt2(n)，公式如下：
Δt1(n)＝t3(n)-t1；
Δt2(n)＝t4(n)-t2；
6、对比Δt1(n)、Δt2(n)与T0的误差，误差计算公式如下：
7、重复步骤4～步骤6，计算第n次测量后得到渡越时间测量的正程或逆程时间差的修正系数Kn，计算公式如下，正程为i＝1，逆程为i＝2，
8、对n次计算所得正程或逆程时间差的修正系数取平均值；
9、通过该系数用来修正t3、t4，计算修正后的正逆程渡越时间t33、t44；修正公式如下：
一般情况下，渡越时间法可达亚微秒级精度，但其对介质流速的测量精度一般不超过1/3。例如：某流量仪表使用的超声波换能器，其工作频率为30kHz，超声流量计采用渡越时间法进行测量，其理论误差为±0.5ml/min(1ml/min＝0.01％)。而当介质流速降低时，该误差会增大，这就需要从提高超声波在介质中传播时间的准确度上来解决。因为只有通过提高渡越时间的准确度，才能在一定程度上克服介质流速降低时带来的误差。
为更直接便捷得检验渡越时间测量精度是否符合要求，本发明提出的方法只需要计算渡越时间相对变化量，不需要考虑声路传输的各级传输延时的绝对值是多少，也不用考虑信号传输过程中的波形变化的影响，测量方法简单，测试可操作行好。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1、渡越时间测量精度检测装置进行正程渡越时间t1及逆程渡越时间t2的测量；
Step2、渡越时间测量精度检测装置对于渡越时间测量精度检测的次数n；
Step3、渡越时间测量精度检测装置设定并发送延时器延时时间T0；
Step4、先测量延时后正程渡越时间，获取测量值t3(n)，同时测量延时后逆程渡越时间测量，获取测量值t4(n)；
Step5、调用Step1测量的t1、t2计算测量值时间差Δt1(n)和Δt2(n)，公式如下：
Δt1(n)＝t3(n)-t1；
Δt2(n)＝t4(n)-t2；
Step6、对比Δt1(n)、Δt2(n)与T0的误差，误差计算公式如下：
Step7、重复Step4～Step6，计算第n次测量后得到渡越时间测量的正程或逆程时间差的修正系数Kn，计算公式如下，正程为i＝1，逆程为i＝2，
Step8、对n次计算所得正程或逆程时间差的修正系数取平均值；
Step9、通过该系数用来修正t3、t4，计算修正后的正逆程渡越时间t33、t44；修正公式如下：
2.根据权利要求1所述的超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法，其特征在于，所述渡越时间测量精度检测装置包括：
高精度脉冲延时控制器，所述高精度脉冲延时控制器用于控制脉冲延迟输出3ns至2us，延时调步进为10ps，延时精度不小于100ps；
延时设定值输入接口，所述延时设定值输入接口与高精度脉冲延时控制器相连接，用于接受流量测量主机外部MCU的控制指令，从而改变脉冲输出延时长度；
方波信号输出接口，所述方波信号输出接口与高精度脉冲延时控制器相连接，用于将脉冲延时信号输出给后续外部信号放大机构，实现对脉冲延时的控制；
复位控制接口，所述复位控制接口与高精度脉冲延时控制器相连接，用于通过所述方波信号输出接口接收外部MCU控制指令，从而实现对脉冲延时的控制。
3.根据权利要求2所述的超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法，其特征在于，所述高精度脉冲延时控制器包括：
控制芯片，所述控制芯片为数字可编程延迟发生器，提供输入脉冲的可编程时间延迟，执行发射、接收和延时脉冲信号的功能；
装置本体，所述装置本体上设置有脉冲发射端口TP3、复位端口TP2和脉冲接收端口TP1，连接所述控制芯片。
4.根据权利要求3所述的超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法，其特征在于，所述装置本体上复位端口TP2与按钮开关K1相连，负责手动状态下装置复位。
5.根据权利要求3所述的超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法，其特征在于，所述控制芯片上设置有两组电位开关，在延时控制器无法自动获得延迟信号时进行手动控制所用，分别负责延时设定值手动输入及寄存器控制线。
6.根据权利要求3所述的超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法，其特征在于，所述控制芯片通过D0-D7端口与流量测量主机外部MCU进行通讯，用于接收脉冲输出延时指令。
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