[發明專利]一種基于相對位移的超聲時間溯源方法

有效

• 申請號: 202011257005.4
• 申請日: 2020-11-11
• 公開（公告）號: CN112393787B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 劉源;胡鶴鳴
• 申請（專利權）人: 中國計量科學研究院
• 主分類號: G01F25/10
• 分類號: G01F25/10
• 代理公司: 遼寧鴻文知識產權代理有限公司 21102
• 代理人: 苗青

1.一種基于位移裝置的超聲時間溯源方法，其特征在于，所述溯源方法是通過能夠調節位移的裝置改變超聲波的傳播距離，以標準長度作為參考值，對超聲法流量校準中的時間量進行溯源，所述時間量為傳播時間，具體包括以下步驟：

第一步，記錄流量校準中傳播時間覆蓋的范圍，確定校準時選用的波形采樣頻率和時間算法，將校準時超聲流量校準裝置中使用的一個超聲探頭(7)帶回；

第二步，將第一步取回的超聲探頭(7)裝配于可在水中調節長度的溯源實驗平臺上；

1)所述的可在水中調節長度的溯源實驗平臺主要由位移實驗平臺、長度標準裝置、聲反射面(5)、水容器(6)、超聲測量儀(8)、聲速測量裝置(9)構成，具體結構如下：

所述聲反射面(5)和超聲探頭(7)平行正對，兩者間距長度為聲道長度l；聲反射面(5)與超聲探頭(7)均浸入水容器(6)中；水容器(6)位于位移平臺(4)下方；聲反射面(5)與超聲探頭(7)一方固定，另一方由位移平臺(4)帶動可沿聲道方向做直線運動；其中，超聲探頭(7)發射的超聲波沿聲道方向傳播，經聲反射面(5)反射后沿原路返回，并被超聲探頭(7)接收，發射時間與通過時間算法獲得超聲波到達探頭的時間的差值，即為被測的傳播時間T₁；

所述位移實驗平臺包括直導軌(2)和位移平臺(4)，豎直導軌(2)方向與聲道方向平行，位移平臺(4)能夠沿直導軌(2)移動；

所述長度標準裝置包括下方激光干涉儀(10)和與激光干涉儀(10)配套的反射棱鏡(3)，二者之間的光路與聲道方向平行，長度標準裝置用于測量位移平臺(4)與超聲探頭(7)之間的相對標準長度l_標；其中，反射棱鏡(3)與位移平臺(4)連接，并可隨著位移平臺(4)移動，激光干涉儀(10)固定不動；

所述聲速測量裝置(9)位于水容器(6)中置于聲道附近，用于測量聲速c；

2)超聲探頭(7)與超聲測量儀(8)連接，采用第一步確定的現場校準時的采樣頻率記錄超聲波，并采用第一步確定的現場校準中使用的算法計算傳播時間T₁；

所述聲道長度l與被測傳播時間T₁之間的關系可以表征為：

T₁＝2l/c (2)

所述相對標準長度l_標與聲道長度l相差固定的系統偏差l₀，l＝l_標+l₀；

第三步，測量超聲波在聲道方向上的傳播時間T₁；

1)系統偏差標定：在位移平臺(4)處于靜止狀態時，標定系統偏差l₀；在靜止條件下進行測量，記錄傳播時間、聲速和相對標準長度，系統偏差l₀為：

l₀＝T_1靜c_靜/2-l_標靜 (3)

其中，T_1靜為靜止狀態下傳播時間的測量值、c_靜為靜止狀態下聲速的測量值，l_標靜為靜止狀態下相對標準長度的測量值；

2)測量范圍換算：根據第一步中記錄的傳播時間覆蓋的范圍，結合靜止狀態下的聲速c_靜和式(2)，得到與傳播時間范圍對應的聲道長度l的范圍；

3)位移測量實驗：通過位移實驗平臺調整聲道長度l，并測量實時的傳播時間T₁和聲速c；具體的：在第三步1)中所述聲道的長度范圍內，位移平臺(4)自軌道一端到另一端進行往復實驗；通過長度標準裝置記錄實驗過程中實時的相對標準長度l_標，由超聲測量儀(8)記錄實驗過程中實時的傳播時間T₁，由聲速測量裝置(9)記錄實驗過程中實時的聲速c；

第四步，根據聲道長度l的測量值，計算標準傳播時間T_1標，進而完成傳播時間的溯源；

1)通過實時的相對標準長度l_標與固定的系統偏差l₀相加得到實時的聲道長度l；

2)通過實時的聲道長度l和實時的聲速c，根據式(2)得到標準的傳播時間T_1標；

3)溯源結果dT₁為實時的傳播時間T₁與標準的傳播時間T_1標的差：

dT₁＝T₁-T_1標 (4)

依照第二步到第四的過程，將超聲流量校準裝置中的超聲探頭(7)的傳播時間，依次進行溯源。

2.一種基于位移裝置的超聲時間溯源方法，其特征在于，所述溯源方法是通過能夠調節位移的裝置改變超聲波的傳播距離，以標準長度作為參考值，對超聲法流量校準中的時間量進行溯源，所述時間量為時間差，具體包括以下步驟：

第一步，記錄流量校準中時間差覆蓋的范圍，確定校準時選用的波形采樣頻率和時間算法，將校準時超聲流量校準裝置中使用的一個超聲探頭(7)帶回；

第二步，將第一步取回的超聲探頭(7)裝配于可在水中調節長度的溯源實驗平臺上；

1)所述溯源實驗平臺結構與權利要求1中所述的可在水中調節長度的溯源實驗平臺相同；此處，超聲探頭(7)發射的超聲波沿聲道，在超聲探頭(7)和聲反射面(5)之間往復多次反射，通過時間算法獲得反射超聲波第1次被超聲探頭(7)接收和第2次被超聲探頭(7)接收的到達時間的差，即為時間差T₂；

2)超聲探頭(7)與超聲測量儀(8)連接，采用第一步確定的現場校準時的采樣頻率記錄超聲波，并采用第一步確定的現場校準中使用的算法計算傳時間差T₂；

所述聲道長度l與被測時間差T₂之間的關系表征為：

T₂＝2l/c (5)

相對標準長度l_標與聲道長度l相差固定的系統偏差l₀，l＝l_標+l₀；

第三步，測量超聲波在聲道方向上的時間差T₂；

1)系統偏差標定：在位移平臺(4)處于靜止狀態時，標定系統偏差l₀；在靜止條件下進行測量，記錄時間差、聲速和相對標準長度，系統偏差l₀為：

l₀＝T_2靜c_靜/2-l_標靜 (6)

其中，T_2靜為靜止狀態下時間差的測量值、c_靜為靜止狀態下聲速的測量值，l_標靜為靜止狀態下相對標準長度的測量值；

2)測量范圍換算：根據第一步中記錄的時間差覆蓋的范圍，結合靜止狀態下的聲速c_靜和式(5)，得到與時間差范圍對應的聲道長度l的范圍；

3)位移測量實驗：通過位移實驗平臺調整聲道長度l，并測量實時的時間差T₂和聲速c；具體的：在第三步1)中所述聲道的長度范圍內，位移平臺(4)自軌道一端到另一端進行往復實驗；通過長度標準裝置記錄實驗過程中實時的相對標準長度l_標，由超聲測量儀(8)記錄實驗過程中實時的時間差T₂，由聲速測量裝置(9)記錄實驗過程中實時的聲速c；

第四步，根據聲道長度l的測量值，計算標準時間差T_2標，進而完成時間差的溯源；

1)通過實時的相對標準長度l_標與固定的系統偏差l₀相加得到實時的聲道長度l；

2)通過實時的聲道長度l和實時的聲速c，根據式(5)得到標準的傳播時間T_2標；

3)溯源結果dT₂為實時的傳播時間T₂與標準的傳播時間T_2標的差：

dT₂＝T₂-T_2標 (7)

依照第二步到第四的過程，將超聲流量校準裝置中的超聲探頭(7)的傳播時間，依次進行溯源。