一种改进的超声波流量计的制作方法

本发明涉及计量仪表技术领域，具体涉及一种改进的超声波流量计。

背景技术：

由于人们对环境的关注度越来越高，天然气作为清洁环保的绿色能源得到了越来越广泛的关注及应用，天然气行业在未来很长时间内都将得到快速发展。为了适应天然气行业的发展需求，特别是燃气公司对天然气计量及管网输配管理的发展需求，在信息化技术的发展背景下，计量精确、工作稳定，且具有远程管理功能的智能流量计系统开始进入天然气计量及输配管理中。

目前，国内应用于天然气计量及输配管理的流量计主要为罗茨表和涡轮表，这两种计量仪表均属于机械式计量仪表，难以摆脱机械式仪表固有的弱点，例如，对天然气的质量要求高，容易卡住，维护频繁且维护成本较高，同时随着天然气输送管路口径的增大，两种机械式计量仪表的体积、重量和价格会大幅度攀升，这些弱点严重制约了天然气计量及管网输配管理向着“精确、稳定、智能、高效”的方向发展。

为了克服机械式计量仪表的缺点，现有技术中出现了超声波流量计，利用超声波信号进行气体流量的检测，例如授权公告号为CN102914334B的发明专利文献公开了一种插入式超声波气体流量计，包括使用时插入待测气体管路中的换能器固定架，在换能器固定架上固设有用于测量超声波在待测气体中顺流传播时的顺流时间和逆流传播时的逆流时间的超声波换能器组，还包括使用时布置在待测气体管路的与所述超声波换能器组相对应的管段处、且与该管段相连通并供该管段中的待测气体自由扩散的静速容器，在静速容器上布置用于在静速管中测量超声波传播速度的超声波换能器。

但是该发明专利文献中，静速管需要插入气体管路中进行气体流量的测量，静速管本身会对气体流动造成扰动，从而引起流量测量的误差。

为了满足天然气计量及管网输配管理的发展需求，需要提供一种智能化的超声波流量计，以实现对天然气流量的精确测量。

技术实现要素：

本发明提供了一种改进的超声波流量计，能够对气体流量进行精确测量，对气体管网状态进行实时监控，对输配异常进行及时响应，尤其适合于天然气的输配管理。

一种改进的超声波流量计，所述超声波流量计包括：

绕气体管道周向布置的三对超声波收发装置，其中一对超声波收发装置所形成的超声波传播路径与气体管道的中心线相交，其余两对超声波收发装置所形成的超声波传播路径相互平行，且对称分布在气体管道中心线的两侧；

用于处理超声波收发装置采集信息的控制单元，该控制单元包括以下模块：

选样模块，用于在超声波的回波信号的采样数据中选取两个采样点；

时间模块，计算两个采样点连线与基准电平线的交点时刻T₃；

计算模块，利用式t＝T₃-T₀-n·T计算超声波的传输时间，并利用传输时间计算得到各回波信号对应的初始气体流量，并对各初始气体流量进行加权平均，得到气体加权平均流速并据此计算得到气体流量，式中，T₀为超声波发送的时刻；T₁为回波信号的起始时刻，n为T₁与T₃之间回波信号的周期个数，T为超声波回波信号的周期。

一对超声波探头所形成的超声波为一束，本发明中以该束超声波的中轴线作为相应的超声波传播路径。

本发明中在气体管道周向布置三对超声波收发装置，每个超声波收发装置都具有接收和发射超声波的功能，本发明中各超声波收发装置伸入气体管道中的部分非常小，不会对气体的流动状态形成干扰。

为了准确测量超声波的传播时间，并兼顾测量的效率，优选地，每对 超声波收发装置所形成的超声波传播路径与气体管道的中心线的夹角为30～60度。相互平行的两条超声波传播路径共平面，另一对超声波的传播路径与该平面仅有一个交点。

每次测量气体流量时，三对超声波收发装置依次轮流发射和接收超声波信号，每对超声波收发装置获取对应的一组超声波回波信号，每组回波信号对应得到一个超声波与气体同向传输的顺向传输时间，和一个超声波与气体反向传输的逆向传输时间。

通过控制单元控制超声波收发装置的超声波发射和接收，超声波收发装置依据控制单元的指令，完成超声波收发通道的选取，并进行超声波的发射和接收。超声波收发装置的收发次序可以通过预先的程序进行设定，也可以经后续人为设置。

利用超声波流量计对气体流量进行测量的关键在于，准确测定超声波在气体中的传输时间，由于超声波接收装置接收到的回波信号通常由弱到强，然后逐步衰减，因此，在回波信号中确定接收到超声波的时刻成为确定传输时间的关键。本发明提供的超声波流量计，能够准确并可靠的获得超声波的传输时间，从而得到准确的气体流量。

在回波信号中，由于采样频率的限制，回波信号与基准电平线的交点时刻难以准确获得，本发明利用两个采样点连线与基准电平线的交点作为回波信号与基准电平线的交点时刻，方法简单，且能够保证必要的计算精度。

作为优选，两个采样点的选取范围为：触发波之后第一个正向幅值大于V_HH-V_b且负向幅值大于V_b-V_LL的波段的下降沿；

两个采样点中，其中一个采样点位于[V_HL，V_HH]范围内，另一个采样点位于[V_LL，V_LH]范围内；

V_HL、V_HH、V_LL、V_LH依据采样频率确定，确定原则为：每次采样必然有采样点位于所选取的电平范围内，且落入所选取的电平范围内的采样点个数尽可能地少。

在采样频率确定的前提下，[V_HL，V_HH]和[V_LL，V_LH]的范围尽可能地小。若[V_HL，V_HH]或[V_LL，V_LH]中存在多个满足要求的采样点，选择最靠 近范围中间值的采样点。

作为优选，若在回波信号的采样数据中找不到满足要求的采样点，则自动调节增益，以获得满足要求的采样点。

在极端情况下，例如超声波探头损坏时，可能会出现无论如何调节增益都不能获得满足要求的采样点的情况，在经过一段时间尝试后，如果始终不能够获得满足要求的采样点，会对探头是否正常进行判定，如果判定探头异常，则进行异常日志存储并报警。

选定[V_HL，V_HH]和[V_LL，V_LH]的目的在于，使两个采样点连线与基准电平线的交点时刻能够逼近回波信号与基准电平线的交点时刻，在能够达到该目的的前提下，依据采样频率确定V_HL、V_HH、V_LL、V_LH。

V_HH和V_LL的选取方式为：在气体流量达到超声波流量计量程上限时，使用相应的超声波的最大幅值减去一定的裕量得到。

本发明提供的超声波流量计为智能电子设备，计量精度高(至少达到和机械表相同的精度)、设备稳定性好、维护成本低，同时还集成了故障自诊断及各类数据远传功能，使得燃气公司能够对天然气管网状态进行实时监控、对燃气输配进行远程管理、对异常状态进行及时响应，能有效提高燃气公司对燃气管网的信息化管理水平。

附图说明

图1a为实现本发明的超声波流量计中超声波收发装置布置的示意图；

图1b为图1a中的A向示意图；

图1c为图1b中的B向示意图；

图1d为超声波流量计中超声波传播路径穿过管道中心线的超声波收发装置的剖视图；

图2为本发明改进的超声波流量计的结构示意图；

图3为本发明改进的超声波流量计的工作流程示意图；

图4为时间测量的流程示意图；

图5为原始回波信号示意图；

图6为图5中的B部放大图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明改进的超声波流量计做详细描述。

如图1a、1b、1c所示，本发明采用的超声波流量计包括三对超声波探头(即超声波收发装置)，分别为超声波探头11和超声波探头12，超声波探头21和超声波探头22，超声波探头31和超声波探头32，其中超声波探头11和超声波探头12的超声波传播路径与气体管道的中心线相交，其余两对超声波探头形成的超声波传播路径相互平行，且对称分布在气体管道中心线的两侧，每对超声波探头所形成的超声波传播路径与气体管道的中心线的夹角均为60度，超声波探头21和超声波探头31的距离小于待测气体流量管道的直径，且可以依据需要进行选择。

图1a中，超声波探头32和超声波探头22重合，超声波探头31和超声波探头21重合，图1c中省略超声波探头11和超声波探头12。

每个超声波收发装置中包括带通滤波、可编程增益以及信号采样三部分功能电路，通过采样-调整-采样的循环过程完成超声波回波信号的调整，得到能够被正确识别的超声波回波。

带通滤波功能电路通过选频功能，在保证超声波回波信号无损通过的同时，能滤除回波信号中的杂波，以保证后级的可编程增益电路能够获得较纯净的超声波回波信号。

除了超声波收发装置，如图2所示，超声波流量计还包括：控制单元、电源模块、输入模块、数据存储模块、无线通信模块、显示模块、工况采集模块、输出模块。

电源模块用于向超声波流量计的各个用电单元提供电源输出，电源模块的输入为4.5～16V宽电压范围的直流电源，利用转换电路分别向超声波流量计各用电单元供电。直流电源输入可以利用外接电源，也可以由超声波流量计内部的电池供给。

本发明提供的超声波流量计包含两种模式，一种为测量气体流量时的工作模式，另一种为停止气体测量时的低功耗模式，控制单元控制超声波流量计在两种模式之间自动切换，自动切换过程可以事先通过程序设定， 也可以利用输入模块手工输入。

电源模块向各用电单元供电的过程受控于控制单元，控制单元依据超声波流量计的工作模式和低功耗模式的不同，向电源模块发送控制信号，协调超声波流量计以最低的功耗有效运行，即需要工作的用电单元供电，而不需要工作的用电单元停止供电。

控制单元为超声波流量计数据处理以及各组成部分功能控制的核心部分，采用单片机(STM32微处理器)和FPGA共同完成控制单元的功能，超声波流量计工作时，采用FPGA控制超声波收发装置的超声波信号收发以及进行时间计算，FPGA计算好时间之后，把获得的时间传递至单片机，单片机依据该时间完成流量的计算。

单片机除了依据FPGA所输入的时间进行气体流量的计算以及体积修正，还进行数据的存储管理、数据与其余设备的信息交互控制，控制显示模块的功能显示、输入模块的指令输入、模式的切换、工况数据的采集以及信号输出。

超声波收发装置中的可编程增益功能电路与控制单元之间通过SPI接口进行通信，根据控制单元的指令对回波信号进行幅度调整，采样电路对超声波回波信号进行采样，并将采样后的数据通过SPI接口送至控制单元，控制单元依据采样电路的采样判断是否需要对超声波回波信号进行调整。

控制单元通过RS485接口与上位机进行通信，使管理员能够通过上位机将系统时间、模式、运行过程参数、体积修正表等参数下发至控制单元，也可以通过查询命令向控制单元获取系统当前的温度、压力、流量、超声波声速等状态信息，还可以向系统下发休眠/唤醒等控制命令实现系统在工作模式和低功耗模式之间的切换(系统休眠对应低功耗模式，唤醒对应工作模式)。

数据存储模块包括铁电存储器和SPI Flash存储器两部分，与控制单元通过SPI接口进行通信，用于系统参数、各种表项、系统状态以及计量数据的存储。

无线通信模块采用GPRS模块，通过UART接口与控制单元进行通信，并在控制单元的控制下通过公共的无线通信网络实现设备与管网管理中 心的信息交互，完成计量数据的上传，以及管网管理中心的控制指令的接收。

输入模块采用霍尔传感器实现非接触式按键功能，用于输入各种指令，例如，系统的休眠/唤醒，菜单控制以及信息查询等功能。

显示模块采用OLED模块，通过SPI接口与控制单元进行通信，用于显示系统当前的温度、压力、流量、超声波声速等测量信息，其中流量包括当前流量、累计流量、计时流量、工况流量、标况流量等多种类型。

输出模块通过数字I/O口以及SPI接口与控制单元进行通信，在控制单元的控制下，输出数字脉冲信号以及4～20mA电流环信号，其中，数字脉冲信号以高低电平输出异常报警等状态信号，4～20mA电流环信号通过输出量化电流表征具体的系统状态。

工况采集模块包括温度采集模块和压力采集模块，其中温度采集模块通过模拟接口与控制单元进行通信，控制单元根据采样得到的温度数据查找数据存储模块中的温度转换表，可以得知工作现场温度以实现气体流量等数据的修正。

压力采集模块通过模拟接口与控制单元进行通信，控制单元根据采样得到的压力数据查找数据存储模块中的压力转换表，可以得知工作现场压力以实现气体流量等数据的修正。

本发明利用超声波流量计测量气体流量的原理如下：

气流上游的超声波探头发出的超声波信号到气流下游的超声波探头接收超声波信号的过程中，由于气体流动在超声波信号的传输方向上产生速度分量，会加速超声波信号的传输；气流下游的超声波探头发出的超声波信号到气流上游的超声波探头接收超声波信号的过程中，由于气体流动在超声波信号的传输方向上产生速度分量，会减慢超声波信号的传输，利用超声波信号在顺气体流向以及逆气体流向中传输时间的不同来计算气体流量。

如图1所示，图中L为上下游超声波探头的直线距离，D为管道直径，θ为超声波传输路径与测定管中心线的夹角，V为气体的平均流速，t₁为超声波顺向传输时间，t₂为超声波逆向传输时间，则有：

由式(Ⅰ)和式(Ⅱ)可得：

由于流量＝流速*横截面积，由流速计算流量的表达式如下：

其中，C表示超声波的传播速度；A表示测定管的横截面积。

由式(Ⅳ)可以看到气体流速跟超声波传播速度没有关系，因此，可以避免由于温度、压力等因素的差异引起超声波传播速度变化，而导致气体流量计量出现偏差。

气体在管道中流动时，由于管壁摩擦等因素的影响，在管道横截面上的流量存在差异，直接通过公式(Ⅳ)获得的气体流量需要修正之后，才能够真实地反应气体的实际流量，为了提高计量的精度，本发明采用三对共六个超声波收发装置对多点流量进行采样，然后通过加权平均的方法计算得到气体流量，并对气体流量进行修正，以逼近真实的气体流量。

由计算过程可知，测量气体流量的关键在于，准确测量超声波的传输时间，为了保证气体流量测量的准确性，因此，本发明中的控制单元包括以下模块：

选样模块，用于在超声波的回波信号的采样数据中选取两个采样点；

两个采样点的选取范围为：触发波之后第一个正向幅值大于V_HH-V_b且负向幅值大于V_b-V_LL的波段的下降沿；如图5、图6所示；图5、图6中的Vb为基准电平线，基准电平线不一定为零，例如采用1.645V的电平线作为基准电平线。

图5中的A部分为触发波，即回波信号中的第一个波，如图5、图6所示，本实施例中，V_HH的取值范围为第二个波峰最大幅值的90％，V_LL的取值范围为第三个波谷最大幅值的90％，S₁和S₂分别为选定的两个采样点，S₁和S₂的连线与基准电平线的交点时刻为T₃，回波信号与基准电平线的交点时 刻为T₂，以T₃作为T₂的替代值进行超声波传输时间的确定，n为2。

两个采样点中，其中一个采样点位于[V_HL，V_HH]范围内，另一个采样点位于[V_LL，V_LH]范围内；

V_HL、V_HH、V_LL、V_LH依据采样频率确定，确定原则为：每次采样必然有采样点位于所选取的电平范围内，且落入所选取的电平范围内的采样点个数尽可能地少。

在采样频率确定的前提下，[V_HL，V_HH]和[V_LL，V_LH]的范围尽可能地小。若[V_HL，V_HH]或[V_LL，V_LH]中存在多个满足要求的采样点，选择最靠近范围中间值的采样点。

时间模块，计算两个采样点连线与基准电平线的交点时刻T₃；

计算模块，利用式t＝T₃-T₀-n·T计算超声波的传输时间，并利用传输时间计算得到各回波信号对应的初始气体流速，并对各初始气体流速进行加权平均，得到气体加权平均流速并据此计算气体流量，式中，T₀为超声波发送的时刻；T₁为回波信号的起始时刻，n为T₁与T₃之间回波信号的周期个数，T为超声波回波信号的周期。

在计算超声波的传输时间时，首先需要对超声波的回波信号进行调整，使超声波回波信号的触发波(如图5中A部分所示，超声波回波信号的第一个波)幅值大于采样触发电平V_TH，超声波发出一段时间后开始采样，若采样电路发出信号到超声波收发装置开始发送超声波的时间长度为常量，记为t_s，超声波收发装置接收回波信号到采样电路收到回波信号的时间长度为常量，记为t_r，则在计算传输时间时，需要将这两个时间扣除，即，t＝T₃-T₀-n·T－t_s－t_r。

若在回波信号的采样数据中找不到满足要求的采样点，则自动调节增益，以获得满足要求的采样点。当接收的回波信号经过一定周期的调整之后，仍无法得到触发波，则判定相应的超声波收发装置异常，将暂时关闭该超声波收发通道(两个位置相对的超声波收发装置构成一个超声波收发通道)，若该通道多次被判定为异常，则将永久关闭该通道，若通道关闭，则进行异常报警，以便管理人员进行处理，由于采用了三对共六个超声波收发装置，除了具有较高的鲁棒性，任意一个通道的关闭也不会明显影响 计量精度。

如图3所示，本发明提供的超声波流量计使用时，首先由控制单元和电源模块配合完成系统的上电和初始化，系统的上电过程为：电源模块首先对能够保证控制单元正常工作的最小系统进行上电，控制单元的最小系统正常工作后，控制单元控制电源模块向其余用电单元进行上电。

系统完成上电后，在控制单元的控制下，自动对系统各功能模块进行通信和状态检测，检测完成后，若系统状态正常，则开启相应的定时程序(定时程序的时间设定以有效降低系统功耗为目的，计时时间的长度必须大于系统完成一次完整的计量流程所需的时间)进入空闲状态，等待相应的中断指令，若系统状态异常，则在控制单元的控制下，由输出模块输出数字脉冲信号以及4～20mA电流环信号，进行异常报警。

对于外部供电的设备，系统在空闲状态下，可以进入休眠状态以降低系统功耗，也可以不进入休眠状态以保证系统的响应速度；对于电池供电的低功耗设备，所述的空闲状态即为休眠的低功耗状态，在保证计量精度的情况下降低系统功耗。

在需要时，系统管理员可以通过与控制单元相连的上位机向控制单元发布相应的指令，对系统时间、工作模式、运行过程参数、各种修正表项等进行下发或修改；系统管理员也可以通过上位机使用查询命令获取系统的温度、压力、流量等状态信息，还可以通过休眠/唤醒指令控制系统进行工作状态的切换。

当定时程序的一个计时周期耗尽时，系统会产生相应的定时中断以开启一个计量流程和一个计量周期，在每个计量流程中，控制单元一方面依据超声波收发装置的回波信号完成传输时间的计算，另一方面通过温度测量模块和压力测量模块进行AD采样，并查询数据存储模块中相应的转换表项以获得工作现场温度、压力等工况信息，然后控制单元根据获得的时间、温度和压力等参数进行数据处理，以完成气体流量的计量以及修正；获得有效的计量数据后，按要求完成数据的存储，结束本次计量流程。

在每个计量流程中，控制单元控制超声波收发装置依据所需要的次序进行超声波的发射和接收，如图4所示，首先，控制单元依据一个计量流 程中能够以最快的速度获得全部所需的有效时间数据为原则，选取超声波收发装置进行超声波的发射，对应的超声波收发装置进行回波信号的接收，回波信号接收后，由控制单元控制采样电路采样，并在采样得到的回波信号中按照规则选取两个采样点，利用两个采样点连线与基准电平线的交点时刻计算超声波的传输时间，超声波收发装置通过中断信号告知控制单元读取时间数据，获得一次有效地时间数据并将数据记录在存储模块中后，本次精确时间测量流程结束。

每次计量流程完成后，控制单元依据系统当前温度、压力、气体流量以及超声波声速等测量信息，判定是天然气管网否存在异常情况；若系统状态正常，则系统工作流程进入下一级；若存在异常情况，则进行异常标志存储，并可通过输出模块输出数字脉冲信号及4-20mA电流环信号，进行异常报警；其中，数字脉冲信号以高低电平传输异常报警等状态信号，4-20mA电流环信号通过输出量化电流表征具体的系统状态，对于外部供电的设备，也可以通过无线通信模块进行远程异常报警。

如果系统采用外部供电，根据需要，可通过无线通信模块与管理中心建立实时的无线通信连接，以完成计量数据及系统状态等的实时上传。

系统在运行的过程中，可以通过输入模块和显示模块的配合进行系统的休眠/唤醒、菜单控制、计量数据及状态信息查询等功能。

超声波流量计不进行气体测量时，系统进入空闲状态。

上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何在未背离本发明的精神实质与原理下所作的修改、替代、组合、裁剪，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。