[發明專利]時差法超聲波流量計的頻率調制波形標記方法

無效

• 申請號: 200710156882.0
• 申請日: 2007-11-16
• 公開（公告）號: CN101162164A
• 公開（公告）日: 2008-04-16
• 發明（設計）人: 鮑敏;沈衛平
• 申請（專利權）人: 浙江理工大學
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66;G01P5/24
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司
• 代理人: 林懷禹

技術領域

本發明屬于時差式超聲波流量計范疇，尤其涉及一種超聲波流量計的頻率調制波形標記方法。

背景技術

超聲波流量計與傳統流量計相比，無可動部件、無壓損、溯源性好、成本對口徑變動不敏感，因此在中大管徑流量測量方面局域明顯優勢，近年來在氣體測量方面推廣較快。由于氣體中超聲波信號衰減嚴重、氣體和超聲波換能器的聲透射率低等原因，使得其在氣體流量測量方面仍存在較多問題，一般很難達到液體測量中的測量精度。

時差法超聲波流量計的主要精度干擾因素包括：(1)超聲波波形在氣體傳輸過程中，衰減嚴重，且幅值受流速影響大，傳統閾值法和過零法結合測量時差難以實現；(2)流場內部的實際流速分布與流量計中內置的流速分布模型有偏差，引起模型誤差。

發明內容

本發明主要解決的問題是時差法氣體超聲波流量計流量檢測中的信號波形幅值不穩定帶來的時差測量問題。

為了達到以上發明目的，本發明采用的技術方案是：發射信號的頻率在換能器帶寬范圍內變動和相關法流量測量，步驟如下：

(1)利用高速處理器在換能器共振中心頻率上迭加頻率變動，生成發射信號，迭加的頻率變動周期要求大于換能器脈沖傳播最大理論時間；

(2)發射信號在流體介質傳播過程中攜帶流動信息；

(3)在接收換能器端采集信號，將其中偏離換能器共振中心頻率的變動部分數值與發射時使用的頻率變動數值進行相關運算；

(4)根據相關函數的峰值位置算得單向得渡越時間，在獲得雙向渡越時間后，即獲得時差從而獲得流速和流量信息。

所述采用中心頻率上迭加一個頻率變動來編碼發射信號，實現對換能器波形的標記與定位。

本發明具有的有益效果是：

(1)本發明不需要直接測量由于流體流動引起的收發信號微小渡越時間變化；

(2)用于相關運算的信號是頻率變動的數值，而非換能器工作頻率上的原始激勵信號，且由于原始激勵信號的頻率是固定值，在信號處理上允許使用欠采樣處理，降低對采樣頻率的要求。

(3)本發明中的核心部分是頻率的變動(調頻)，對于信號波形幅值變動因素不敏感，避免了采用傳統閾值法和過零檢測結合測量時差對波形穩定性和信噪比的苛刻要求。

附圖說明

圖1是相關測量原理圖。

圖2是本發明的相關法流量測量原理示意圖。

圖3是本發明的頻率調制波形標記方法示意圖。

具體實施方法

本發明提出使用在換能器工作中心頻率上迭加一個頻率變動，利用發射和接受信號的頻率變動相關特性來標記波形到達時刻，測量超聲波的發射和接收之間的渡越時間。由于相關運算中作為標記的主要是頻率的變動，具有對波形信號的幅值變動不敏感的特點，可以顯著降低對信號信噪比的要求。

實施步驟如下：

(1)如圖2所采用高速處理器產生頻率為f(t)+Δf(t)的發射信號，其中f(t)是換能器共振頻率，Δf(t)為預先定義的頻率變動。該過程相當于對發送信號進行一次頻率調制，采用這種方法獲得的發射與接收波形如圖3所示。

(2)高速處理器在產生發射信號的同時，產生與Δf(t)信號對應的頻率變動數值序列。該過程相當于產生步驟(1)調制前的隨機變動信號。

(3)對接收換能器接收到的信號進行解調，恢復其中的頻率變動信號Δf(t-τ)，其中的τ是接收信號與發射信號之間的時間。

(4)如圖1對兩個頻率變動數值序列進行相關運算，獲得兩者的時間差即為信號在發送和接收換能器之間的渡越時間τ。

(5)分別測得順流和逆流兩個方向的渡越時間，即可獲得傳播的時差，從而獲得流體的流速和流量。