CN117782271B - 气体超声波流量计跳波现象校正方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开的气体超声波流量计跳波现象校正方法、系统、设备及介质，属于超声波测量技术领域，获取超声波在流体中的声速、多个顺流时间和逆流时间；计算获得平均顺流时间和平均逆流时间，将平均顺流时间和平均逆流时间相加，获得顺逆流时间和的实际值；根据声速，获得顺逆流时间和的理论值；计算顺逆流时间和的理论值与实际值之间的绝对差值，根据该绝对差值与超声波发射的激励脉冲周期和跳波数目乘积之间的绝对差值小于误差允许值，确定跳波数目；根据跳波数目，对顺流时间和逆流时间进行匹配，并确定跳波方向，对平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值进行补偿，获得顺逆流的时间差，进而获得流体流速。提高了超声波流体流速测量的准确性。

Description

气体超声波流量计跳波现象校正方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及超声测量技术领域，尤其涉及气体超声波流量计跳波现象校正方法、系统、设备及介质。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

超声波技术逐渐应用到了流量测量领域。超声波流量计测量原理一般分为传播速度差法和多普勒法等。传播时间差法又可以分为时差法、相差法和频差法，其中，时差法由于测量原理简单，测量方法容易实现，效果好，在超声波流量测量过程中时差法得到了广泛应用。时差法超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量液体流量的速度式流量仪表，该种类型的流量计的工作原理是通过声波从上游和下游双向传播的时间差，计算出介质的流动速度，基于时差法测量原理的气体超声波流量计在测量液体流量时，首先依据逆压电效应，激励一个超声波换能器发射超声波信号；另一个超声波换能器接收到超声波信号，依据压电效应，转换为回波电信号；根据回波信号中某个稳定的特征点确定超声波信号顺、逆流传播时间，进而根据信号顺、逆流传播时间，确定时间差，根据时间差确定介质的流量。时间差的准确测量对于测量精度至关重要，但在具体测量过程中，接收的超声信号的幅值容易受到各种干扰因素的影响，导致顺流信号的过零点和逆流信号的过零点的时间发生不匹配现象，有的时候甚至会产生几个周期的误差，从而出现测量数据异常的情况，此外，在超声液体测量场合，存在气泡的情形下，也会产生测量数据异常的情形，需要对测量数据进行判断，对误差较大的数据进行校正和剔除。目前主要聚焦于如何减少跳波现象，但是一旦发生跳波现象如何补救，并没给出具体的处理措施。在超声波流量计的现场应用过程中，由于现场各种复杂干扰情形，往往无法避免接收波形受到一定程度的干扰和跳波情形的产生，导致顺流信号的过零点和逆流信号的过零点的时间发生不匹配现象，有的时候甚至会产生几个周期的误差，从而出现测量数据异常的情况，此外，在超声液体测量场合，存在气泡的情形下，也会产生测量数据异常的情形，导致对流体流速的测量存在误差。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了气体超声波流量计跳波现象校正方法、系统、设备及介质，通过对跳波进行校正，实现了对流体流速的准确测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，提出了气体超声波流量计跳波现象校正方法，包括：

获取超声波在流体中的声速、多个顺流时间和多个逆流时间；

对多个顺流时间和多个逆流时间分别取平均，获得平均顺流时间和平均逆流时间，将平均顺流时间和平均逆流时间相加，获得顺逆流时间和的实际值；

根据超声波在流体中的声速，获得顺逆流时间和的理论值；

计算顺逆流时间和的理论值与实际值之间的绝对差值，并根据该绝对差值与超声波发射的激励脉冲周期和跳波数目乘积之间的绝对差值小于误差允许值，确定跳波数目；

根据跳波数目，对多个顺流时间和多个逆流时间进行匹配，并确定跳波方向，根据跳波方向和跳波数目，对平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值进行补偿，获得顺逆流的时间差；

根据顺逆流的时间差，获得流体流速。

进一步的，将声道长度除以声速后与电路延迟时间相加，获得时间和，将时间和乘以2，获得顺逆流时间和的理论值。

进一步的，获取顺流时间和逆流时间时的温度信息；

根据温度信息，计算获得超声波在流体中的声速。

进一步的，根据跳波数目，分别使用第一次采集的顺流时间和最后一次采集的顺流时间为对应初始项，进行顺逆流的时间匹配，对应获得匹配后的第一顺逆流时间和及匹配后的第二顺逆流时间和；

根据匹配后的第一顺逆流时间和及匹配后的第二顺逆流时间和，与顺逆流时间和的理论值之间的关系，确定跳波方向。

进一步的，匹配后的第一顺逆流时间和为第一次采集的顺流时间和第N次采集的逆流时间的和，N为跳波数目；

匹配后的第二顺逆流时间和为最后一次采集的顺流时间和第M次顺流时间的和，M为顺流时间的总采集次数与跳波数目的差值。

进一步的，当匹配后的第一顺逆流时间和与顺逆流时间和的理论值之间的误差，小于匹配后的第二顺逆流时间和与顺逆流时间和的理论值之间的误差时，确定跳波方向为后向跳波；

当匹配后的第一顺逆流时间和与顺逆流时间和的理论值之间的误差，大于匹配后的第二顺逆流时间和与顺逆流时间和的理论值之间的误差时，确定跳波方向为前向跳波。

进一步的，当跳波方向为后向跳波时，将平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值加上激励脉冲周期与跳波数目的乘积，获得顺逆流的时间差；

当跳波方向为前向跳波时，将平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值减去激励脉冲周期与跳波数目的乘积，获得顺逆流的时间差。

第二方面，提出了气体超声波流量计跳波现象校正系统，包括：

数据获取模块，用于获取超声波在流体中的声速、多个顺流时间和多个逆流时间；

顺逆流时间和的实际值获取模块，用于对多个顺流时间和多个逆流时间分别取平均，获得平均顺流时间和平均逆流时间，将平均顺流时间和平均逆流时间相加，获得顺逆流时间和的实际值；

顺逆流时间和的理论值获取模块，用于根据超声波在流体中的声速，获得顺逆流时间和的理论值；

跳波数目确定模块，用于计算顺逆流时间和的理论值与实际值之间的绝对差值，并根据该绝对差值与超声波发射的激励脉冲周期和跳波数目乘积之间的绝对差值小于误差允许值，确定跳波数目；

顺逆流的时间差确定模块，用于根据跳波数目，对多个顺流时间和多个逆流时间进行匹配，并确定跳波方向，根据跳波方向和跳波数目，对平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值进行补偿，获得顺逆流的时间差；

流体流速确定模块，用于根据顺逆流的时间差，获得流体流速。

第三方面，提出了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成气体超声波流量计跳波现象校正方法所述的步骤。

第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成气体超声波流量计跳波现象校正方法所述的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过计算顺逆流时间和的理论值与实际值之间的绝对差值，并根据该绝对差值与超声波发射的激励脉冲周期和跳波数目乘积之间的绝对差值小于误差允许值，来确定跳波数目，进而根据跳波数目确定跳波方向，根据跳波方向和跳波数目，对顺逆流的时间差进行补偿，获得准确的顺逆流的时间差，进而获取准确的流体流速，实现对跳波现象的校正和流体流速的准确测量。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为实施例公开的气体超声波流量计跳波现象校正方法的流程图；

图2为时差法超声波流量计的基本原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例1

时差法超声波流量计的基本原理图如图2所示，图2中，A、B代表两个超声波传感器，x为超声波传感器A、B在流体流向上的距离，为超声波传感器A和B连线与流体流向之间的夹角。

其中，顺流信号到达时间为：/>；逆流信号到达时间/>为：，式中，C为声速，V为流体的线平均流速，L为声道长度，/>为顺流信号到达时间，简称顺流时间，/>为逆流信号到达时间，简称逆流时间，/>为电路的延迟时间。顺逆流的时间差/>为：/>。因此，在声速已知的情况下可计算出流体的流速/>为：/>。

流体的流速计算公式可知，顺逆流的时间差的准确测量对于流速的测量精度至关重要，但在具体测量过程中，接收的超声信号的幅值容易受到各种干扰因素的影响，导致顺流信号的过零点和逆流信号的过零点的时间发生不匹配现象，有的时候甚至会产生几个周期的误差，从而出现测量数据异常的情况，此外，在超声液体测量场合，存在气泡的情形下，也会产生测量数据异常的情形，需要对测量数据进行判断，对误差较大的数据进行校正和剔除。目前，针对发生跳波情形的数据处理算法很少，大多集中在防止跳波现象发生的技术处理措施方面。

其中，专利申请号为CN202310547638.6的专利公开了一种特定波的识别方法，涉及特定波的识别领域，解决了现有超声流量计中对波形的识别受到较多环境因素的影响，而导致容易产生偏差、不计量或过度计量的问题，通过发生特征波的方法可以有效确定声波的飞行时间，进而避免在流量计里应用时因“跳波”产生的偏差、不计量或过度计量，而提高流量计的准确度，并有效降低环境因素影响而导致的误差。

专利号为CN114295169A的发明公开了一种气体超声流量计超声波信号自动调整系统及方法，应用于气体流量仪表技术领域，根据接收波经放大器放大后的信号幅值及放大器增益值来调整激发电压大小，以调整激发波和接收波强度，保证放大器增益适中，放大后的信号不失真且具有较高的信噪比，以保证过零检测准确，减少跳波发生的可能性，以提高流量测量的准确性和可靠性；

通过分析上述已经公开的专利可知，目前主要聚焦于如何减少跳波现象，但是一旦发生跳波现象如何补救，往往并没给出具体的处理措施。在超声波流量计的现场应用过程中，由于现场各种复杂干扰情形，往往无法避免接收波形受到一定程度的干扰和跳波情形的产生，亟需一种在跳波情形下能够对测量时间差进行校正的算法，并实现对异常数据的剔除。

为了实现对气体超声波流量计跳波现象的校正，保证流体流速测量的准确性，在本实施例中，公开了气体超声波流量计跳波现象校正方法，如图1所示，包括：

S1：获取超声波在流体中的声速、多个顺流时间和多个逆流时间。

本实施例在超声波流量计电路中加入流体介质温度采集模块，温度采集模块可选用热电偶和热电阻作为温度感知部件，获取顺流时间和逆流时间时的温度信息；根据温度信息和气体性质查表，获得超声波在流体中的声速。

优选的，按照声音在气体介质中的传播速度近似计算公式，计算出超声波在流体中的声速C，C (m/s)，式中，T为获取的温度信息。

在流量状态超声波传感器按照设定的先后顺序向流体发送超声信号，接收传感器接收到超声波顺流信号和逆流信号，本实施例连续采集10次顺流信号和10次逆流信号，获得10个顺流时间和10个逆流时间/>，10个顺流时间为/>，10个逆流时间为/>。

S2：对多个顺流时间和多个逆流时间分别取平均，获得平均顺流时间和平均逆流时间，将平均顺流时间和平均逆流时间相加，获得顺逆流时间和的实际值；根据超声波在流体中的声速，获得顺逆流时间和的理论值。

本实施例对获取的多个顺流时间取平均，获得平均顺流时间。对多个逆流时间取平均，获得平均逆流时间/>。将平均顺流时间和平均逆流时间相加，获得顺逆流时间和的实际值/>，/>。

本实施例还根据超声波在流体中的声速，获得顺逆流时间和的理论值，具体为：将声道长度除以声速后与电路延迟时间相加，获得时间和，将时间和乘以2，获得顺逆流时间和的理论值，/>=/>。

其中，电路延迟时间的确定过程为：

S21：在超声波流量计电路中加入流体介质温度采集模块，温度采集模块可选用热电偶和热电阻作为温度感知部件，在采集顺流和逆流时差的时刻同步采集温度信息。

S22：按照声音在气体介质中的传播速度近似计算公式，计算出工况条件下的声速，/>(m/s)

S23：设置成对的超声波传感器，包括超声波发送传感器和超声波接收传感器，在静态无流量时超声波发送传感器按照设定的先后顺序发送超声信号，接收传感器接收到超声波顺、逆流的信号，计算顺流时间和逆流时间/>。

S24：将S23获取的顺流时间和逆流时间/>进行叠加，获得顺逆流时间和/>。

S25:根据声道的长度和计算的声速C₀得到电路延迟时间/>,并记入存储空间。

将S22计算获得的声速、S24计算获得的顺逆流时间和/>及声道的长度L代入下式中，计算获得电路延迟时间/>。，式中，/>为声道与流体流向之间的夹角。

将计算的电路延迟时间、声道长度和S1获得的声速代入顺逆流时间和的理论值计算公式中，获得顺逆流时间和的理论值/>。

S3：计算顺逆流时间和的理论值与实际值之间的绝对差值，并根据该绝对差值与超声波发射的激励脉冲周期和跳波数目乘积之间的绝对差值小于误差允许值，确定跳波数目。

顺逆流时间和的理论值与实际值之间的绝对差值为：/>abs(/>-/>)。

设定误差允许值，这里的/>值一般应设置/>，寻找合适的整数值N,满足：/>，将绝对差值/>和超声波发射的激励脉冲周期/>代入该不等式中，计算获得整数值N，整数值N即为跳波数目。若无法找到合适的整数值N，则该次测量数据作废。这里设定跳波的数目需要小于8。

S4：根据跳波数目，对多个顺流时间和多个逆流时间进行匹配，并确定跳波方向，根据跳波方向和跳波数目，对平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值进行补偿，获得顺逆流的时间差。具体的：

根据跳波数目N，分别使用第一次采集的顺流时间和最后一次采集的顺流时间为对应初始项，进行顺逆流的时间匹配，对应获得匹配后的第一顺逆流时间和及匹配后的第二顺逆流时间和；

根据匹配后的第一顺逆流时间和及匹配后的第二顺逆流时间和，与顺逆流时间和的理论值之间的关系，确定跳波方向。

其中，匹配后的第一顺逆流时间和为第一次采集的顺流时间和第N次采集的逆流时间的和，N为跳波数目；

匹配后的第二顺逆流时间和为最后一次采集的顺流时间和第M次采集的逆流时间的和，M为逆流时间的总采集次数与跳波数目N的差值。

以S1中连续采集10次顺流信号和10次逆流信号，确定的10个顺流时间和10个逆流时间为例，使用第一次采集的顺流时间和最后一次采集的顺流时间/>作为对应初始项，分别进行顺逆流时间匹配，其中，/>和第N次采集的逆流时间/>配对，与第M次采集的逆流时间/>配对，计算获得匹配后的第一顺逆流时间和/>为：/>；匹配后的第二顺逆流时间和/>为：。

当匹配后的第一顺逆流时间和与顺逆流时间和的理论值/>之间的误差，小于匹配后的第二顺逆流时间和/>与顺逆流时间和的理论值/>之间的误差时，说明/>与更接近，确定跳波方向为后向跳波；当匹配后的第一顺逆流时间和/>与顺逆流时间和的理论值/>之间的误差，大于匹配后的第二顺逆流时间和/>与顺逆流时间和的理论值/>之间的误差时，说明/>与/>更接近，确定跳波方向为前向跳波。

根据跳波方向和跳波数目，对平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值进行补偿，获得顺逆流的时间差，具体的：

当跳波方向为后向跳波时，将平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值加上激励脉冲周期与跳波数目的乘积，获得顺逆流的时间差，/>。

当跳波方向为前向跳波时，将平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值减去激励脉冲周期与跳波数目的乘积，获得顺逆流的时间差，/>。

S5：根据顺逆流的时间差，获得流体流速，/>。

本实施例公开的气体超声波流量计跳波现象校正方法，针对现有超声测量中存在的跳波问题，提出了一种跳波识别和消除的算法，通过加入温度采集装置测量介质的温度，从而利用温度计算得出的介质的声速，并用于跳波校正算法。实现介质流速的精确测量。

现有基于时差法的超声流量检测技术一般采用连续采集多次顺逆流时间求平均的方法，随着超声探头的老化和污损以及外部干扰，容易发生跳波现象。一旦发生跳波现象，往往未能充分考虑补救措施，给测试结果带来较大的误差。在实验中发现跳波现象带来的时间差的误差往往是激励脉冲周期的整数倍，如果不想办法消除此类误差，超声流量计检测出的流体流速往往存在较大的误差。

本实施例通过将顺流时间和逆流时间进行叠加，能够判断数据的有效性，对不符合有效性的数据通过跳波修正算法进行修正，针对无法修正的数据进行剔除，很大程度上扩展了整个测量过程中有效数据的占比。通过进行误差分析，按照流体流速的计算公式，在声道长度一定的情况下，测量的精度主要取决于介质声速的测量和顺逆流的时间差，通过本算法可以进一步提高顺逆流的时间差测量的准确性，从而进一步提高测量精度和准确性。

实施例2

在该实施例中，公开了气体超声波流量计跳波现象校正系统，包括：

数据获取模块，用于获取超声波在流体中的声速、多个顺流时间和多个逆流时间；

顺逆流时间和的实际值获取模块，用于对多个顺流时间和多个逆流时间分别取平均，获得平均顺流时间和平均逆流时间，将平均顺流时间和平均逆流时间相加，获得顺逆流时间和的实际值；

顺逆流时间和的理论值获取模块，用于根据超声波在流体中的声速，获得顺逆流时间和的理论值；

跳波数目确定模块，用于计算顺逆流时间和的理论值与实际值之间的绝对差值，并根据该绝对差值与超声波发射的激励脉冲周期和跳波数目乘积之间的绝对差值小于误差允许值，确定跳波数目；

顺逆流的时间差确定模块，用于根据跳波数目，对多个顺流时间和多个逆流时间进行匹配，并确定跳波方向，根据跳波方向和跳波数目，对平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值进行补偿，获得顺逆流的时间差；

流体流速确定模块，用于根据顺逆流的时间差，获得流体流速。

本发明还公开了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1公开的气体超声波流量计跳波现象校正方法所述的步骤。

本发明还公开了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1公开的气体超声波流量计跳波现象校正方法所述的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.气体超声波流量计跳波现象校正方法，其特征在于，包括：

获取超声波在流体中的声速、多个顺流时间和多个逆流时间；

对多个顺流时间和多个逆流时间分别取平均，获得平均顺流时间和平均逆流时间，将平均顺流时间和平均逆流时间相加，获得顺逆流时间和的实际值；

根据超声波在流体中的声速，获得顺逆流时间和的理论值；

计算顺逆流时间和的理论值与实际值之间的绝对差值，并根据该绝对差值与超声波发射的激励脉冲周期和跳波数目乘积之间的绝对差值小于误差允许值，确定跳波数目；

根据跳波数目，对多个顺流时间和多个逆流时间进行匹配，并确定跳波方向，根据跳波方向和跳波数目，对平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值进行补偿，获得顺逆流的时间差；其中，分别使用第一次采集的顺流时间和最后一次采集的顺流时间为对应初始项，进行顺逆流的时间匹配，对应获得匹配后的第一顺逆流时间和及匹配后的第二顺逆流时间和，匹配后的第一顺逆流时间和为第一次采集的顺流时间和第N次采集的逆流时间的和，N为跳波数目；匹配后的第二顺逆流时间和为最后一次采集的顺流时间和第M次顺流时间的和，M为顺流时间的总采集次数与跳波数目的差值；根据匹配后的第一顺逆流时间和及匹配后的第二顺逆流时间和，与顺逆流时间和的理论值之间的关系，确定跳波方向；当匹配后的第一顺逆流时间和与顺逆流时间和的理论值之间的误差，小于匹配后的第二顺逆流时间和与顺逆流时间和的理论值之间的误差时，确定跳波方向为后向跳波；当匹配后的第一顺逆流时间和与顺逆流时间和的理论值之间的误差，大于匹配后的第二顺逆流时间和与顺逆流时间和的理论值之间的误差时，确定跳波方向为前向跳波；当跳波方向为后向跳波时，将平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值加上激励脉冲周期与跳波数目的乘积，获得顺逆流的时间差；当跳波方向为前向跳波时，将平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值减去激励脉冲周期与跳波数目的乘积，获得顺逆流的时间差；

根据顺逆流的时间差，获得流体流速。

2.如权利要求1所述的气体超声波流量计跳波现象校正方法，其特征在于，将声道长度除以声速后与电路延迟时间相加，获得时间和，将时间和乘以2，获得顺逆流时间和的理论值。

3.如权利要求1所述的气体超声波流量计跳波现象校正方法，其特征在于，获取顺流时间和逆流时间时的温度信息；

根据温度信息和气体性质，查表获得超声波在流体中的声速。

4.气体超声波流量计跳波现象校正系统，用于实现权利要求1-3任一项所述的气体超声波流量计跳波现象校正方法，其特征在于，包括：

数据获取模块，用于获取超声波在流体中的声速、多个顺流时间和多个逆流时间；

顺逆流时间和的实际值获取模块，用于对多个顺流时间和多个逆流时间分别取平均，获得平均顺流时间和平均逆流时间，将平均顺流时间和平均逆流时间相加，获得顺逆流时间和的实际值；

顺逆流时间和的理论值获取模块，用于根据超声波在流体中的声速，获得顺逆流时间和的理论值；

跳波数目确定模块，用于计算顺逆流时间和的理论值与实际值之间的绝对差值，并根据该绝对差值与超声波发射的激励脉冲周期和跳波数目乘积之间的绝对差值小于误差允许值，确定跳波数目；

顺逆流的时间差确定模块，用于根据跳波数目，对多个顺流时间和多个逆流时间进行匹配，并确定跳波方向，根据跳波方向和跳波数目，对平均逆流时间与平均顺流时间之间的差值进行补偿，获得顺逆流的时间差；

流体流速确定模块，用于根据顺逆流的时间差，获得流体流速。

5.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-3任一项所述的气体超声波流量计跳波现象校正方法的步骤。

6.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-3任一项所述的气体超声波流量计跳波现象校正方法的步骤。