[發明專利]測量管道內超聲波飛行時間的系統及方法

在審

• 申請號: 202011014473.9
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112147620A
• 公開（公告）日: 2020-12-29
• 發明（設計）人: 侯懷書;張毅;陸頂;方建飛;余曉東
• 申請（專利權）人: 上海應用技術大學
• 主分類號: G01S15/58
• 分類號: G01S15/58;G01S7/527;G01P5/24;G01L11/06;G01F1/66
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

本發明提供了一種測量管道內超聲波飛行時間的系統及方法，系統包括：微控制器模塊、超聲波飛行時間測量模塊、超聲波驅動升壓模塊、回波信號A/D轉換模塊及超聲波傳感器，所述超聲波飛行時間測量模塊包括超聲波模擬前端及時間?數字轉換器；測量第一階段：根據回波信號調整超聲波模擬前端的放大增益至重新發送及接收超聲波后所讀取的數字信號的n個峰值均大于預設閾值，n為正整數；測量第二階段：通過時間?數字轉換器對發送超聲波和接收回波的計時，得到超聲波飛行時間。該系統及方法可以實現自動調節增益，從而適應不同的管道流體中超聲波飛行時間的測量。

技術領域

本發明涉及超聲波測量技術領域，特別涉及一種測量管道內超聲波飛行時間的系統及方法。

背景技術

超聲波傳感器產生超聲波的原理：發射探頭中含有壓電材料、壓電材料在接收到電脈沖激勵時會產生震動，震動便產生了超聲波，即發射探頭的作用是將電能轉換成了聲能。超聲波的接收原理是，當接收探頭中的壓電材料在接收到超聲波時，會產生電壓，即將聲能轉換成了電能，而接受到的就電能非常方便的做下一步處理。即壓電材料在受到電信號的作用時會產生超聲波、反之當壓電材料受到超聲波的作用時又會產生電信號。

超聲波測量管道內流體壓力與流量具有精度高、非接觸性、不破壞流體等優勢。超聲波測量管道內流體壓力與流量的關鍵是測量超聲波在管道內流體中的傳播速度。如圖1所示，測量超聲波在管道內(管道內直徑為L)流體中的飛行時間分兩種情況，一種是通過超聲波傳感器I、II測量超聲波與流體方向的相同的飛行時間，測量超聲波與流體方向的相反的飛行時間。通過超聲波傳感器III測量垂直路徑下超聲波的飛行時間。

超聲波的傳播會受到供流體管道內流體的流向的影響，如果超聲波的傳播方向與流體流的方向一致時，其傳播速度要快于超聲波傳播方向與流體流方向相反時的速度。利用這兩個速度的差值，結合其它物理參量便可計算出流體的流速，進而計算出流體的流量。

超聲波的傳播還會因管道內流體的壓力的不同而受到影響，有研究證實，在相同情況下，流體壓越高，超聲波在流體中的傳播速度越快，結合其它物理參量，通過超聲波在管道流體中的傳播速度便可計算出管道中流體壓力。

超聲波在介質中傳播時，其能量會隨傳播距離的增加而減弱，這種現象被稱為超聲波的衰減，超聲波的衰減有散射衰減、擴散衰減、介質吸收引起的衰減等等，無論是哪一種衰減，都會導致超聲波信號在介質中傳播一段距離到達接收傳感器時，接收傳感器產生的電信號都會極其微小，需要對微小的電信號進行放大才能進行后續處理。

生產與生活中運輸流體的管道直徑不盡相同，從而超聲波在管道的傳播路徑與傳播產生的衰減也不會相同，所以，采用固定增益測量超聲波飛行時間的方式是不科學的。

發明內容

本發明的目的在于提供一種測量管道內超聲波飛行時間的系統及方法，以解決現有的超聲波飛行時間的測量方式無法適應不同管道傳播的超聲波衰減不同從而導致的測量過程需要人工調整所造成不易測量的問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種測量管道內超聲波飛行時間的系統，包括：

微控制器模塊、超聲波飛行時間測量模塊、超聲波驅動升壓模塊、回波信號A/D轉換模塊及超聲波傳感器，所述超聲波飛行時間測量模塊包括超聲波模擬前端及時間-數字轉換器；

測量第一階段：所述微控制器模塊發出SPI指令至所述超聲波模擬前端使其發出第一激勵脈沖，所述超聲波驅動升壓模塊將所述第一激勵脈沖升壓后發送至超聲波傳感器以發出第一超聲波；接收經介質傳輸的第一超聲波時，超聲波傳感器將接收的超聲波轉換為電信號，再由所述超聲波模擬前端放大后送入所述回波信號A/D轉換模塊以得到數字信號，所述微控制器模塊讀取所述數字信號并提取n個峰值，若大于預設閾值的峰值小于n，則所述微控制器模塊控制所述超聲波模擬前端調整放大增益至重新發送及接收超聲波后所讀取的數字信號的n個峰值均大于預設閾值，n為正整數；