[發明專利]一種用于超聲波流量計的絕對傳播時間測量方法

有效

• 申請號: 201210044631.4
• 申請日: 2012-02-23
• 公開（公告）號: CN102589627A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 馬立玲;劉佳;王軍政;沈偉;汪首坤;趙江波;李靜
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 楊志兵;高燕燕

技術領域

本發明屬于超聲流量測量技術領域，特別涉及一種用于超聲波流量計的采用三個換能器和改進的最小誤差平方和算法來測量絕對傳播時間的方法。

背景技術

超聲波技術應用于流量測量主要依據是：當超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就會載有流體流速的信息。超聲波流量計對信號的發生、傳播及檢測有著各種不同的設置方法，從而構成了不同原理的超聲流量計，其大致可分為傳播速度差法(包括：時差法、相位差法、頻差法)，多普勒法，相關法、波束偏移法，等等。

時差式超聲波流量計是根據超聲波信號順流傳播時間和逆流傳播時間以及二者之差來計算流速，進而求得流量的。計算流速的公式中最重要的兩個參數是絕對傳播時間和相對傳播時間。

相對傳播時間是指：順流傳播時間和逆流傳播時間的時差。計算相對傳播時間不能將順流傳播時間與逆流傳播時間做減法，應利用順流時換能器接收的波形和逆流時換能器接收的波形，采用互相關方法、最小誤差平方和方法等算法來計算這兩組相似波形的時差，誤差波動范圍在1ns以內。其中，最小誤差平方和方法精度要高于互相關方法，但計算速度略遜一籌。

絕對傳播時間是指：發射器發射超聲波到達接收器的時間。測量時一般都是用兩個傳感器協同作用，換能器在管道外側不同的排布方式，有Z型、V型、N型、W型。不論哪種排布方式，兩個傳感器的缺點都是，接收器無法精確的得到超聲波回波信號，因此在計算絕對傳播時間上效率不高。計算絕對傳播時間的普遍方法是計數法。發射器發射超聲波的同時，接收器開始計數，當接收器端的采樣信號高于所設的門限值時，認為已經接收到超聲波信號，停止計數，傳播時間等于計數值乘以采樣周期。這種方法的缺點在于門限值需根據經驗設定，且計數值為整數，如果采樣周期為40ns，則誤差在正負40ns之間，范圍較大，不精確，需要采用新的方法提高絕對傳播時間的求取精度。

發明內容

為了解決測量絕對傳播時間精度較低的問題，本發明提出了一種利用3個換能器測量順流逆流傳播時間的方法，不需要計時模塊和設置門限值，相當于將絕對時間測量轉換為相對時間測量，從而降低了誤差，提高了測量精度。

進一步地，本發明還利用一種將互相關方法與最小誤差平方和方法結合起來的改進的最小誤差平方和方法，計算相對傳播時間，從而實現了提高絕對傳播時間精度的目的，并可以在不影響精度的情況下減少計算時間。

現有技術中為了提高測量精度增加聲程，從而產生了換能器在管道外側不同的排布方式，有Z型、V型、N型、W型。本發明建立在V型排布的基礎之上。

本發明在V型排布下換能器1和換能器2的正對側正中多加一個換能器3。設換能器1和換能器2之間的距離為L，則換能器3距換能器1和換能器2的橫向距離均為L/2。換能器1和換能器2輪流工作在發射和接收的狀態，換能器3只工作在接收狀態，即換能器1發射超聲波信號，換能器2和換能器3同時接收信號，此時換能器2和換能器3接收到的信號均為順流狀態下的信號；換能器2發射超聲波信號，換能器1和換能器3同時接收信號，此時換能器1和換能器3接收到的信號均為逆流狀態下的信號。

對于順流情況，換能器1發射超聲波信號，換能器2和3均為接收器，換能器1發射的超聲波信號首先被換能器3接收，隨即反射后又被換能器2接收，因此這兩個接收信號相關度會很高。利用求相對傳播時間時的方法，如互相關法等來求取換能器3接收的信號和換能器2接收的信號之間的差值，其計算結果就是超聲波信號從換能器3傳播到換能器2的時間，相當于求取了換能器2和換能器3按照Z型排布情況下的順流傳播時間。

逆流情況下同理可求超聲波信號從換能器3到換能器1的時間：換能器2發射超聲波信號，此時兩個接收器即換能器1和換能器3接收信號；同樣，采用求取相對傳播時間的方式求取兩個接收器所接收的信號的差值，其計算結果就是超聲波信號從換能器3傳播到換能器1的時間，相當于獲得了換能器1和換能器3按照Z型排布情況下的逆流傳播時間。

由于求取這兩個傳播時間的信號通過的聲路不同，因此必須保證換能器3距離換能器2和換能器1的橫向距離相等，即確保聲程相等。另外，求取相對傳播時間的方法與傳統方法相似，只利用換能器1和換能器2，但是要將最后的時差除以2，說明結果為換能器3到換能器1或者換能器3到換能器2的相對傳播時間。

有益效果

1、本發明提出了一種利用3個換能器測量順流逆流傳播時間的方法，不需要計時模塊，而且能夠消除電路時間延遲帶來的精度問題，從而實現了提高絕對傳播時間精度的目的。