[發明專利]高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統及其測量流量方法

有效

• 申請號: 201210236748.2
• 申請日: 2012-07-10
• 公開（公告）號: CN102749107A
• 公開（公告）日: 2012-10-24
• 發明（設計）人: 譚文勝
• 申請（專利權）人: 廣州柏誠智能科技有限公司
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66
• 代理公司: 北京捷誠信通專利事務所(普通合伙) 11221
• 代理人: 魏殿紳

技術領域

本發明涉及流量測量設備技術領域，尤其涉及一種高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統及其測量流量方法。

背景技術

超聲波流量計相對于機械式和電磁式流量儀表而言，具有對管徑的適應性強、量程比大、無可動部件、非接觸測量，零壓力損失、易于維護等優點，被視為最有發展前景的流量計量設備，特別是近年來在供暖熱計量中得到了廣泛的應用。

超聲波流量測量作為一種體積計量方法主要通過以下五個步驟進行：

1)管道內部超聲波探頭在流體中發射聲波，啟動計時，在一定時間之后接收超聲波信號。

2)對接收到的超聲波信號進行預處理，判斷聲波到達時間，結束計時，得到聲路上下游聲波順程傳播時間。

3)重復1)、2)步，但原發射換能器變為接收換能器，接收換能器變為發射換能器，得到聲路上下游聲波逆程傳播時間。

4)依據順程和逆程的傳播時間差值、測量時流體的溫度，以及在該溫度下聲波在流體中的傳播速度，計算出流體流速。

5)由測量管道面積，和測量溫度壓力下流體的密度值，計算出流體流量。

現有技術中存在如下缺點：

1)現有的超聲波流量計采用多脈沖發射電路或高壓窄帶脈沖信號發生電路發射超聲波。但多脈沖發射電路能量不集中，接收信號首波幅度較小，信噪比差，接收信號處理電路復雜、成本較高；而用高壓窄帶脈沖信號發射超聲波時，換能器不能完全轉換脈沖信號能量內部存在高次諧振即不能完全轉換并發送出脈沖信號中的所有頻率成分，導致換能器內部存在高頻諧振，在接收信號時產生干擾，只能單獨作為發射或接收用；而采取多聲道布置方案進行正、反向時間差測量，使得器件增多，電路復雜，而且由于聲道增多需要更多的布置空間，不適合小管徑流速測量。

2)現有的超聲波流量計采用FPGA或CPLD電路搭配晶振來計時，系統復雜且計時分辨率僅為5-10ns；或采用計時芯片TDC-GP2開發計時電路，雖然計時分辨率能達到65ps，但價格昂貴，占流量計成本比重大，不利于成本控制。另外，采用專用計時芯片進行時差時，流量計電路中的微處理控制芯片A/D功能閑置，芯片利用率較低。

發明內容

為解決上述中存在的問題與缺陷，本發明提供了一種高精度時差式單脈沖超聲波流量計及其測量流量方法。該方法采用單周期正弦波超聲換能器驅動電路，并且利用微處理芯片內部A/D轉換模塊開發時間測量電路，實現高精度計時功能，不僅測量精度高、結構簡單易于實現，而且期間利用率高，成本相對較低易于控制。

所述技術方案如下：

高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統，所述流量計包括：MCU控制單元、單脈沖信號發射驅動單元、收發切換單元、超聲波換能器組、超聲波信號處理單元及鑒相積分單元，所述

MCU控制單元，用于發送控制信號到收發切換單元和單脈沖信號發射驅動單元，及

發送標準延時信號到鑒相積分單元和利用測得的超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間計算得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差；

收發切換單元，選定超聲波換能器，即選定逆程測量或順程測量；

單脈沖信號發射驅動單元，用于產生單周期正弦波信號，并將信號發送到超聲波換能器；

超聲波換能器，包括發射換能器和接收換能器，用于超聲波信號的發射和接收，并將超聲波信號傳送至超聲波信號處理單元；

超聲波信號處理單元，用于將超聲波信號進行濾波放大，并通過零檢測和閾值檢測確定到達信號；

鑒相積分單元，用于將到達信號與所述標準延時信號進行比較，得到超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間。

高精度時差式單脈沖超聲波流量計系統的測量方法，所述方法包括：

發送控制信號到收發切換單元和單脈沖信號發射驅動單元，及

發送標準延時信號到鑒相積分單元和利用測得的超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間計算得到超聲波在流量計管道中逆程和順程傳播時差；

選定超聲波換能器，即選定逆程測量或順程測量；

產生單周期正弦波信號，并將信號發送到超聲波換能器；

將超聲波信號發送到超聲波信號處理單元；

將超聲波信號進行濾波放大，并通過零檢測和閾值檢測確定到達信號；

將到達信號與所述標準延時信號進行比較，得到超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間，并根據超聲波順程傳播時間和逆程傳播時間之間的時差和和管道直徑計算得到管道流體單位時間流量大小。

本發明提供的技術方案的有益效果是：