CN117470405A - 基于超声波飞行时间测量流体温度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于超声波飞行时间测量流体温度的方法。它包括：（1）使用基准计量管段在不同的恒温温度Ta下测量超声波通过确定声路长度的单程逆流时间tupa和单程顺流时间tdowna；（2）各温度Ta时计算Suma=1/tupa+1/tdowna，模型拟合后得到Ta与Suma关系曲线；（3）根据上述关系曲线对待用计量表进行校准获得对该计量表的校准补偿值；（4）使用该计量表时，对其超声波的单程逆流时间和单程顺流时间进行测量，计算得到其Sumb的值，利用该值Ta与Suma关系曲线并利用校准补偿值进行补偿后得到流体温度。改变了在计量表上或另外加装传统温度传感器的方法，不仅能缩减产品成本，还有利于减化产品结构，使其易于加工、拆装和维修，并能增加计量表的使用寿命。
Description
技术领域
本发明为一种流体温度测量方法，特别是一种基于超声波飞行时间测量流体温度的方法。
背景技术
超声波计量是目前工业、民用流量计量中应用较广泛的一种流量计量方法。超声波水表具有计量精度高、量程比高、使动流量低等特点，因此超声波流量计量装置越来越受到广泛的欢迎。目前的超声波计量中所需的温度传感器都是采用热敏电阻式、铂电阻、IC芯片等，实体的温度传感器会收到传感器插入深度、环境温度、与水接触时间、管径大小等因素影响，不同的环境需要做不通调整。实验证明这种受外界影响较大，因此需要大量的测试和修正。
发明内容
本发明的目的在于：公开一种去除传统的温度传感器、基于超声波飞行时间测量流体温度的方法。
本发明包括以下步骤：
（1）使用基准计量管段a，在不同温度Ta的恒温状态下测量流体运动时超声波通过一个确定声路长度La的单程逆流时间tupa和单程顺流时间tdowna；
（2）计算不同温度Ta时的Suma值,其中Suma=1/tupa+1/tdowna，使用matlab对温度Ta与Suma进行模型拟合，得到Ta与Suma关系曲线；
（3）根据Ta与Suma关系曲线对待用计量表b获得对该计量表的校准补偿值：在任意标准温度Tb时某一流体速度的情况下，测量得到超声波的单程顺流时间和单程逆流时间进行测量，根据Ta与Suma关系曲线得到反算温度，标准温度与反算温度的差值为补偿温度△Tb；
（4）将经过校准的计量表b安装使用，对其超声波的单程逆流时间和单程顺流时间进行测量，计算本步骤中得到的单程逆流时间的倒数与单程顺流时间的倒数之和的值，利用该值Ta与Suma关系曲线得到反算流体温度，在对该反算流体温度加上补偿温度△Tb进行补偿后得到流体温度。
进一步地，步骤（3）中测量得到计量表b的单程顺流时间和单程逆流时间，并利用速度公式计算在测量计量表b的单程顺流时间和单程逆流时间的同一工况下的单程顺流时间理论值tdownb’和单程逆流时间理论值tupb’，将单程顺流时间理论值减去测量得到的单程顺流时间作为单程顺流时间补偿值△tdown，将单程逆流时间理论值减去测量得到的单程逆流时间作为单程逆流时间补偿值△tup；在步骤（4）中，将测得的单程顺流时间和单程逆流时间分别利用△tdown和△tup进行补偿，利用补偿后的进行再计算后利用Ta与Suma关系曲线得到反算流体温度。
进一步地，在步骤（1）或（2）或（3）中，对于同一工况下的单程顺流时间和单程逆流时间进行多频次测量，将同组数据进行粗大滤波处理后，按拉依达准则将数据进行处理，得到所采用的单程顺流时间和单程逆流时间的值，并利用该值进行其倒数之和的运算。
进一步地，在步骤（4）中，在水流正常的情况下，进行多频次测量，然后对多次测量得到的一组单程逆流时间数据及一组单程顺流时间分别进行二阶滤波，二阶滤波方法如下：
（4.1）分别判断临时数组中存储的单程时间的数据个数大于是否大于1个；当小于1个时使用上次的二阶滤波单程时间；
（4.2）临时数组中的当数据个数大于1时，寻找数组中单程时间最大和最小值，得到两者的差值△tx;
（4.3）判断某一单程时间的最大最小值的差值△tx是否大于超声波换能器频率的半周期，是，则使用上次的二阶滤波单程时间；
（4.4）△tx小于超声波频率的半周期时，分别统计最大值与每个元素差值小于波动阈值的个数A、最小值与每个单程时间元素差值小于波动阈值的个数B后，按以下步骤对单程时间进行处理：
（4.4.1）当A=B时，使用上次的二阶滤波单程时间；
（4.4.2）当A>B时，计算大数单程时间平均值；
（4.4.3）当A<B时，计算小数单程时间平均值；
（4.5）本次单程时间均值是否为0；若为0更新单程时间上次值；不为0时，采用上次的单程时间；
（4.6）根据△tupb和△tdownb作为补偿系数校准后，用Sumx=1/(tupx+△tup)+1/(tdownx+△tdown)计算得到其Sumx的值，并将利用Ta与Suma关系基础曲线得到的温度以△Tb作为补偿系数进行补偿后获得水温Tx。
进一步地，在步骤（4）中，从有水到无水，使用有水时的温度值，无水状态下温度不更新。
进一步地，在步骤（4）中，第一次上电且无水状态，设定一个任意值为默认的温度Ty。
利用本发明所述的方法能够利用所测得的超声波的顺流和逆流时间，直接对应得到计量表中流体的温度值，改变了在计量表上或另外加装传统温度传感器的方法，不仅能缩减产品成本，还有利于减化产品结构，使其易于加工、拆装和维修。事实上，传统温度传感器由于测量的温度还受外界环境温度影响，并不能准确的反应水温，使用此方法可以消除环境温度的影响。另外，计量表组件的减少，也减少了产品损坏的可能性，从而增加计量表的使用寿命。
附图说明
图1本实施例使用的一种计量器的结构示意图；
图2为本实施例5-35℃的Ta和Suma关系曲线；
图3为本实施例35-60℃的Ta和Suma关系曲线；
图4为本实施例阶段顺流时间及逆流时间数据采集过程流程图；
图5为使用阶段确定合法单程时间用来计算温度过程的流程图；
其中，1、第一超声波传感器，2、第二超声波传感器。
具体实施方式
图1中展示了一种计量器的结构，此结构只是为了对本实施例进行说明，但本实施例并不限于使用此类型的计量器，而是适用于所有能够利用具有至少一组发射和接收超声波传感器的超声波计量结构的计量器。
本实施例中，在没有特别说明的情况下，本实施例所说的单程时间为超声波在同一计量器中两个超声波传感器之间沿其声路的单程逆流时间和/或单程顺流时间，所述的逆流时间或顺流时间均为其单程时间。
如图1所示，图中第一超声波传感器1和第二超声波传感器2之间的声路长度为L，设定管段中的流体从左向右流动，其流动方向即管段轴向与声路方向的夹角为Φ，则通过测量可以得到超声波由第一超声波传感器1到第二超声波传感器2的单程时间（即单程顺流时间）tdown以及第二超声波传感器2到第一超声波传感器1的单程时间（即单程逆流时间）tup，则：
tup=LcosΦ/(c+Vm) (1)
tdown=LcosΦ/(c-Vm) (2)
对(1)(2)的公式进行转换得到：
c=LcosΦ/(tup-Vm) (3)
c=LcosΦ/(tdown+Vm ) (4)
将(3)(4)项合并得到：
c=(LcosΦ/> (1/tup+1/tdown))/2
以上各式中，
Vm——流体在轴向线的平均流速；
c——超声波在流体中的传播速度；
由公式可以看出，两个单程时间的倒数之和（1/tup+1/tdown）与超声波在流体中的传播速度c为等比关系，其中可以排除掉流体的流速对相应的温度的影响。为方便记录和说明，以下设Sum=（1/tup+1/tdown），即后续以Sum表示（1/tup+1/tdown）。
另外，超声波在流体中的传播速度c与流体温度是相关的，因此，本实施例中通过以下方法得到顺流时间与逆流时间与流体温度的关系。
本实施例以水为例，其方法如下：
1、采集基础数据
随机选取一个包括管段的计量器作为基础计量器a，其上设置有第一超声波传感器1和第二超声波传感器2，两个超声波传感器间的声路长度为La。
在不同温度Ta的恒温池中测量一个确定距离La之间流体运动时超声波的单程逆流时间tupa和单程顺流时间tdowna。
本实施例中，基于实际应用中被测的水温的范围情况，选择测试5℃-60℃区间进行测量，并每隔5℃作为一个温度测量点，此处以恒温池内的水温在Ta=5℃时对tupa和tdowna的测量为例进行说明。
1.1、通过基础计量器上的芯片高频次采样特性获取多次tupa和tdowna，得到水温为5℃时的一组数据，见表1：
表1、水温为5℃时测得的一组tupa和tdowna和值
| 编号 | Tupa(ns) | Tdowna(ns) |
| 1 | 59236.5926 | 59236.6192 |
| 2 | 59238.1246 | 59236.8852 |
| 3 | 59236.7788 | 59236.7066 |
| 4 | 59236.8016 | 59237.0714 |
| 5 | 59236.7788 | 59236.6762 |
| 6 | 59236.9992 | 60236.7332 |
| 7 | 59236.7066 | 59236.8966 |
| 8 | 59237.079 | 59236.9004 |
| 9 | 59236.8586 | 59237.0942 |
| 10 | 59237.1702 | 59236.9992 |
| 11 | 58237.041 | 59236.9802 |
1.2、对采样的单程时间采用粗大误差消除法进行滤波，其具体方法为：
使用3σ准则即“拉依达准则”作为异常数据处理的判断标准：采集的单程时间记作Ti，平均值记作，求得残差,再以”贝塞尔公式”得标准偏差σ的3倍为准，与各残差Tv比较，如果某次残差为：/>（3倍标准偏差），
则应剔除数据Ti。然后使用以下公式测量数据的平均值：
在进行校正时，首先要剔除明显异常的数据，上表中，tupa 的第11个数据58237.041以及tdowna 的第6个数据60236.7332，依据3σ准则，这两个数据属于异常数据，将其排除后，按上述平均值公式得到各温度下的tupa和tdowna的平均值tupa'和tdowna'。
1.3、将各温度下的tupa'和tdowna'的值进行临时储存。
2、建模
2.1、建立基础模型
2.1.1、利用tupa’和tdowna’的值计算在所测量的各水温时的Suma的值，其中Suma=（1/tupa’+1/tdowna’）。建立Suma与对应的恒温池内水温Ta的关系，见表2：
表2、所测量的各水温及得到的对应的Suma的值
| Ta（℃） | Suma |
| 60 | 0.036199473 |
| 55 | 0.036134603 |
| 50 | 0.036045665 |
| 45 | 0.03592283 |
| 40 | 0.035773333 |
| 35 | 0.035591129 |
| 30 | 0.035373318 |
| 25 | 0.035116056 |
| 20 | 0.034817505 |
| 15 | 0.034470019 |
| 10 | 0.034075526 |
| 5 | 0.033626691 |
2.1.2、使用matlab对温度Ta与Suma进行模型拟合，得到Ta与Suma关系基础曲线。具体如图2、图3所示。在本实施例中，将5-35℃和35-60℃的区间分别进行了建模。
2.2、为确认已经建立的Ta与Suma关系基础曲线的准确性，针对建模时使用的基础计量器a的数据进行验证：
在不同标准温度的水流中，分别测量一组单程逆流时间和单程顺流时间，在按本实施例步骤1.2的方法进行数据滤波后，得到单程逆流时间tupa”和单程顺流时间tdowna”，计算其Suma”值，其中Suma”=1/tupa”+1/tdowna”，通过步骤2.1.2中建立的Ta与Suma关系基础曲线得到反算温度Ta”将其与使用温度传感器测得的水的标准温度进行比较，得到反算温度与标准温度差值，通过多次测量和计算，得到表3中的数据：
表3、执行步骤2.2得到的一组数据
| 单程逆流时间tupa”(ns) | 单程顺流时间tdowna”(ns) | Suma” | 标准温度（℃） | 反算温度Ta”（℃） | 反算温度与标准温度差値 |
| 55248.52 | 55248.6484 | 0.036200024 | 60 | 59.92673196 | -0.073268039 |
| 55346.57 | 55346.4908 | 0.03613596 | 55 | 55.2794006 | 0.279400604 |
| 55485.02 | 55485.0236 | 0.036045763 | 50 | 50.03848004 | 0.038480044 |
| 55673.6 | 55673.5606 | 0.035923681 | 45 | 44.80826554 | -0.191734462 |
| 55908.34 | 55908.2562 | 0.035772866 | 40 | 40.13399282 | 0.133992822 |
| 56195.65 | 56195.6426 | 0.035589944 | 35 | 34.93149242 | -0.068507583 |
| 56538.21 | 56538.2012 | 0.03537431 | 30 | 30.09285622 | 0.092856221 |
| 56951.84 | 56951.7438 | 0.035117422 | 25 | 25.03825837 | 0.038258374 |
| 57437.98 | 57437.912 | 0.034820185 | 20 | 20.00519499 | 0.00519499 |
| 58021.26 | 58021.269 | 0.03447012 | 15 | 14.96087177 | -0.039128234 |
| 58693.18 | 58693.204 | 0.034075503 | 10 | 10.06355549 | 0.06355549 |
| 59476.71 | 59476.7374 | 0.033626599 | 5 | 4.982950477 | -0.017049523 |
| 59476.46 | 59476.4372 | 0.033626756 | 5 | 4.984703464 | -0.015296536 |
由表3可知，通过本发明的方法得到的水温的值与标准温度（即水的实际温度）的误差小于0.3℃，该误差范围完全满足超声波水表对于精度的要求。
3、对待用计量表b进行校正
由于计量表电路板组件和测量结构上的微小差异，会导致同一工况下不同的计量表单程时间略有差异，因此在使用前需要对单程时间进行归一化校准。
取未经校正的待用计量表b，利用校表台对其校正。待用计量表b两超声传感器之间的声路长度为Lb，本实施例的校正方法如下：
3.1、在任意已知的温度Tb下测量待用计量表的单程逆流时和单程顺流时间，并分别得到一组临时数据，将这些临时数据利用步骤1.2中所述的方法进行滤波后，得到该计量表在此温度下的单程逆流时间tupb和单程顺流时间tdownb。
3.2、利用本实施例中的公式（1）和（2）计算此温度Tb及水流速度下（即同一工况下）的单程顺流时间理论值tdownb'和单程逆流时间理论值tupb'；
3.3、计算测量得到的数据与理论数据的差值，△tupb=tupb'-tupb，△tdownb=tdownb' - tdownb；
3.4、将△tupb和△tdownb作为补偿系数，在系统中对tupb和tdownb进行补偿，并计算其Sumb的值，Sumb=1/(tupb+△tup)+1/(tdownb+△tdown)，即，在得到校准补偿值后在计量表b的系统中按此补偿值对计量表b测得的顺流单程时间和逆流单程时间进行校准，那么，在测量和补偿后，计量表b的顺流单程时间和逆流单程时间为较为准确的值。本步骤中，利用对任意一个温度下的测量，获得到所有测量数据的补偿值。
3.5、在取得Sumb的值以后，使用Ta与Suma关系基础曲线，得到对应的温度Tb'，并根据在校准时设置的水的实际温度Tb，得到△Tb，△Tb= Tb-Tb'，并在该表今后根据测量值得到的温度值以△Tb为补偿系数做补偿。即，将在任何一个通过测量单程顺流时间和单程逆流时间、之后再由Ta与Suma关系基础曲线得到的温度Tb'+△Tb后作为采纳的水温。
4、将经过校正的计量表b投入使用，采集逆流时间tupx和顺流时间tdownx，并按照步骤1.2的方法进行滤波，滤波后的数据存入临时数组；对临时滤波后的数据按照以下方法处理：
在水流正常的情况下，进行多频次测量，然后对多次测量得到的一组数值进行二阶滤波，其中对于单程逆流时间tupx和单程顺流时间tdownx的处理方法相同，二阶滤波均为以下处理方式，此处不再分别说明，并用单程时间表示逆流时间tupx或顺流时间tdownx：
4.1、分别判断临时数组中存储的单程时间的数据个数大于是否大于1个；当小于1个时使用上次的二阶滤波单程时间；
4.2、临时数组中的当数据个数大于1时，寻找数组中单程时间最大和最小值，得到两者的差值△tx;
4.3、△tx判断某一单程时间的最大最小值的差值是否大于超声波换能器频率的半周期，是，则使用上次的二阶滤波单程时间；
4.4、△tx小于或等于超声波频率的半周期时，分别统计最大值与每个元素差值小于波动阈值（如设定50ns-300ns的范围）的个数A、最小值与每个单程时间元素差值小于波动阈值的个数B后，按以下步骤对单程时间进行处理：
4.4.1、当A=B时，使用上次的二阶滤波单程时间；
4.4.2、当A>B时，计算大数单程时间平均值；
4.4.3、当A<B时，计算小数单程时间平均值；
4.5、本次单程时间均值是否为0；若为0更新单程时间上次值；不为0时，采用上次的单程时间；
4.6、根据△tupb和△tdownb作为补偿系数校准后，用Sumx=1/(tupx+△tup)+1/(tdownx+△tdown)计算得到其Sumx的值，并将利用Ta与Suma关系基础曲线得到的温度以△Tb作为补偿系数进行补偿后获得水温Tx。
在实际测量中有几种特殊情况，按以下方式进行测量：
a)从有水到无水，使用有水时的温度值，无水状态下温度不更新。
b)第一次上电且无水状态，可设定一个默认的温度Ty，Ty可设置为任意值，如20℃或50℃，甚至其他温度。当测量后得到的温度一直为所设定的Ty值时，说明计量表中一直为无水状态。在计量表中有水后，按本实施例4.1-4.5的步骤测量得到相关数值。
Claims (6)
1.一种基于超声波飞行时间测量流体温度的方法，其特征是：它包括以下步骤：
（1）使用基准计量管段a，在不同温度Ta的恒温状态下测量流体运动时超声波通过一个确定声路长度La的单程逆流时间tupa和单程顺流时间tdowna；
（2）计算不同温度Ta时的Suma值,其中Suma=1/tupa+1/tdowna，使用matlab对温度Ta与Suma进行模型拟合，得到Ta与Suma关系曲线；
（3）根据Ta与Suma关系曲线对待用计量表b获得对该计量表的校准补偿值：在任意标准温度Tb时某一流体速度的情况下，测量得到超声波的单程顺流时间和单程逆流时间进行测量，根据Ta与Suma关系曲线得到反算温度，标准温度与反算温度的差值为补偿温度△Tb；
（4）将经过校准的计量表b安装使用，对其超声波的单程逆流时间和单程顺流时间进行测量，计算本步骤中得到的单程逆流时间的倒数与单程顺流时间的倒数之和的值，利用该值Ta与Suma关系曲线得到反算流体温度，在对该反算流体温度加上补偿温度△Tb进行补偿后得到流体温度。
2.根据权利要求1所述的基于超声波飞行时间测量流体温度的方法，其特征是：步骤（3）中测量得到计量表b的单程顺流时间和单程逆流时间，并利用速度公式计算在测量计量表b的单程顺流时间和单程逆流时间的同一工况下的单程顺流时间理论值tdownb’和单程逆流时间理论值tupb’，将单程顺流时间理论值减去测量得到的单程顺流时间作为单程顺流时间补偿值△tdown，将单程逆流时间理论值减去测量得到的单程逆流时间作为单程逆流时间补偿值△tup；在步骤（4）中，将测得的单程顺流时间和单程逆流时间分别利用△tdown和△tup进行补偿，利用补偿后的进行再计算后利用Ta与Suma关系曲线得到反算流体温度。
3.根据权利要求1或2所述的基于超声波飞行时间测量流体温度的方法，其特征是：在步骤（1）或（2）或（3）中，对于同一工况下的单程顺流时间和单程逆流时间进行多频次测量，将同组数据进行粗大滤波处理后，按拉依达准则将数据进行处理，得到所采用的单程顺流时间和单程逆流时间的值，并利用该值进行其倒数之和的运算。
4.根据权利要求1或2所述的基于超声波飞行时间测量流体温度的方法，其特征是：在步骤（4）中，在水流正常的情况下，进行多频次测量，然后对多次测量得到的一组单程逆流时间数据及一组单程顺流时间分别进行二阶滤波，二阶滤波方法如下：
（4.1）分别判断临时数组中存储的单程时间的数据个数大于是否大于1个；当小于1个时使用上次的二阶滤波单程时间；
（4.2）临时数组中的当数据个数大于1时，寻找数组中单程时间最大和最小值，得到两者的差值△tx;
（4.3）判断某一单程时间的最大最小值的差值△tx是否大于超声波换能器频率的半周期，是，则使用上次的二阶滤波单程时间；
（4.4）△tx小于超声波频率的半周期时，分别统计最大值与每个元素差值小于波动阈值的个数A、最小值与每个单程时间元素差值小于波动阈值的个数B后，按以下步骤对单程时间进行处理：
（4.4.1）当A=B时，使用上次的二阶滤波单程时间；
（4.4.2）当A>B时，计算大数单程时间平均值；
（4.4.3）当A<B时，计算小数单程时间平均值；
（4.5）本次单程时间均值是否为0；若为0更新单程时间上次值；不为0时，采用上次的单程时间；
（4.6）根据△tupb和△tdownb作为补偿系数校准后，用Sumx=1/(tupx+△tup)+1/(tdownx+△tdown)计算得到其Sumx的值，并将利用Ta与Suma关系基础曲线得到的温度以△Tb作为补偿系数进行补偿后获得水温Tx。
5.根据权利要求1或2所述的基于超声波飞行时间测量流体温度的方法，其特征是：在步骤（4）中，从有水到无水，使用有水时的温度值，无水状态下温度不更新。
6.根据权利要求1或2所述的基于超声波飞行时间测量流体温度的方法，其特征是：在步骤（4）中，第一次上电且无水状态，设定一个任意值为默认的温度Ty。
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