用于超声波流量计计算超声波传播时间的方法与流程

本发明涉及超声流量测量技术领域，特别涉及一种用于超声波流量计计算超声波传播时间的方法。

背景技术：

时差法超声流量计工作原理如图1所示，它是根据介质流速与超声波在介质中顺、逆传播时产生的时间差存在一定的线性关系原理进行测量的，只要准确测量顺逆流时间差,再根据流速与其线性关系求出流速，进而可以求出瞬时流量以及累积流量。

图1中，S₁，S₂分别为2个超声波换能器，V为液体流速，D为管道直径，L为超声波的声程，θ为超声波进入液体的入射角。t₁为换能器S₁发射、S₂接收时，超声波在管道中传播时间，即顺流时间；t₂为换能器S₂发射、S₁接收时，超声波在管道中传播时间,即逆流时间。

超声流量计顺流传播时间t₁和逆流传播时间t₂分别用下式计算，即：

式中,C为超声波信号在水中的声速，设ΔT为顺逆流时间差，则：

由于超声波在流体中传播的速度C远远大于被测流体的实际流速V，即C²>>V²，所以(3)式可以简化为：

这里，超声波流量计测得的V是沿声道上的流体的线平均流速，而进行流量计算时需要的是截面平均流速，所以我们要将线平均速度V乘以流体修正系数k最后再乘以管道的截面积S便可求出瞬时流量Q。其公式如下：

Q＝S·kV＝(πD²/4)kV。

目前，一般采用对超声波换能器接收到的回波信号进行采样，获取整个回波波形的采样值，如图2所示，回波信号中，Y轴为信号幅值，X轴为信号坐标。先找到超声波换能器接收到的回波信号的采样值的最大值x_max，然后根据实验获取的数据，如图3所示，通过分析流量变化与传播时间的关系可以看出方框1内的点为w₄对应的点，方框2为w₅对应的点，其波峰值与最大值x_max的比例差别较大，由此可确定一个根据最大值x_max设定的系数S，系数S值取相邻两个回波波峰值与最大值x_max的比例差别最大的两个比例值的平均值，其与x_max的乘积作为寻找基准波的阈值：

x_th＝x_max×s

如图2所示，根据阈值x_th找到第一个幅值大于阈值的波作为基准波w_基准波，由于存在受温度、流速等影响，导致根据实验获取的数据确定出的阈值x_th不满足工况的要求，导致根据阈值x_th找到的基准波进行线性插值计算出的过零点可能存在一个周期或几个周期的误差，最终导致计算的传播时间存在一个周期或几个周期的误差。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种用于超声波流量计计算超声波传播时间的方法，其提高超声波流量计传播时间测量的准确性，减少测量误差。

本发明的目的是采用下述方案实现的：一种用于超声波流量计计算超声波传播时间的方法，超声波换能器发射端发射超声波信号，超声波换能器接收端接收超声回波信号，超声波传播时间的计算方法包括如下步骤：

1)找到超声波换能器接收端接收到的回波信号采样值内的回波幅值最大点；

2)分别求取该回波幅值最大点所处周期内的回波的能量以及与该回波幅值最大点所处周期相近的几个周期内的回波的能量，确定回波能量最大值E_max；

3)根据公式E_th＝E_max×S_E得到阈值E_th，其中，系数S_E值取相邻两个回波能量值与最大值E_max的比例差别最大的两个比例值的平均值。系数S_E值取在0-1之间。

4)按照回波周期顺序找到第一个大于阈值E_th的回波能量所对应的周期内的回波作为基准波w_基准波，计算得出该基准波w_基准波的过零点的时间t₀，根据公式T＝t₀+t'即可求出超声波传播时间T，式中，t'为一个与超声波流量计相关的固定值。

各个周期内的回波的能量为该周期内的所有采样点的幅值相加的总和。

在基准波w_基准波中，如果相邻两采样点的幅值极性相反时则进行线性插值运算，计算出基准波w_基准波的信号过零点时间t₀。

在零流量的情况下计算t'：当超声波流量计管道中的流体静止时通过测量声道的长度以及根据此时的声速计算出此时准确的传播时间T₀，同时计算出零流速下的过零点对应的时间t'₀，则t'＝t'₀-T₀。

将步骤2)计算出来的各个周期内的回波的能量按照周期顺序与步骤3)得到的阈值E_th进行比较，将第一个大于阈值的回波能量所对应的周期内的回波作为基准波w_基准波。

步骤2)分别求取该回波幅值最大点所处周期内的回波的能量以及与该回波幅值最大点所处周期相近的前后各两个或三个相邻周期内的回波的能量，确定回波能量最大值E_max。

本发明具有的优点是：本方法通过超声波换能器接收到的回波信号的采样值的最大值x_max寻找到最高峰w_h1，计算最高峰附近几个周期内的回波的能量，然后根据求取的相邻几个周期回波的能量确定出一个阈值，本发明利用回波的能量，设定阈值E_th，在回波信号中找出第一个能量超出所设阈值E_th的波作为计算过零点时间的基准波，来计算超声波流量计的传播时间，相比利用回波信号的采样值的最大值x_max设定的阈值x_th来确定基准波，避免了由于超声波流量计在流量变化时导致的回波信号幅值变化而引起根据阈值x_th确定的基准波存在一个周期或几个周期的误差，导致计算出的传播时间存在一个周期或几个周期的误差，本方法提高了传播时间的测量准确度。

附图说明

图1为时差法超流量计的原理示意图；

图2为回波信号的示意图；

图3为不同流量下峰值与最大值x_max比例图；

图4为回波信号与其回波能量的示意图；

图5为线性插值计算过零点t₀的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述：

参见4和图5，一种用于超声波流量计计算超声波传播时间的方法，超声波换能器发射端发射超声波信号，超声波换能器接收端接收超声回波信号，超声波传播时间的计算方法包括如下步骤：

1)找到超声波换能器接收端接收到的回波信号采样值内的回波幅值最大点x_max；

2)分别求取该回波幅值最大点x_max所处周期内的回波w_h1的能量以及与该回波幅值最大点所处周期相近的几个周期内的回波的能量，确定上述周期内的回波中的回波能量最大值E_max。本发明一般分别求取包括回波w_h1在内的多个相邻周期内的回波的能量。优选地，本发明分别求取该回波幅值最大点所处周期内的回波的能量以及与该回波幅值最大点所处周期相近的前后各两个或三个相邻周期内的回波的能量，确定回波能量最大值E_max。如本实施例分别求取包括回波w_h1在内的五个相邻周期内的回波w₁、w₂、w_h1、w₄、w₅的能量E₁、E₂、E_h1、E₄、E₅。其中，E₄为五个相邻周期内的回波中的回波能量最大值E_max。各个周期内的回波的能量为该周期内的所有采样点的幅值相加的总和。如回波能量E_i由下式计算：E_i＝x_i+x_i+1+…+x_i+n，式中，i为回波w_i的坐标起始点，n为回波一个周期采样点个数，x_i为回波幅值。回波w₁、w₂位于回波w_h1前，回波w₄、w₅位于回波w_h1后。

3)根据公式E_th＝E_max×S_E得到阈值E_th，其中，系数S_E值取相邻两个回波能量值与最大值E_max的比例差别最大的两个比例值的平均值。本实施例将E₁/E_max与E₂/E_max的差别、E₂/E_max与E_h1/E_max的差别、E_h1/E_max与E₄/E_max的差别、E₄/E_max与E₅/E_max的差别进行比较，得出4个差值中E₄/E_max与E₅/E_max的差值最大，则系数S_E值取E₄/E_max与E₅/E_max的平均值。系数S_E值取在0-1之间。本实施例的阈值E_th大于能量E₁、能量E₂、能量E₅，小于能量E_h1、能量E₄。

4)按照周期顺序找到第一个大于阈值E_th的回波能量所对应的周期内的回波作为基准波w_基准波，该基准波w_基准波为第一个能量大于阈值的波。本实施例中回波w_h1为第一个能量大于阈值的波，因此，本实施例的w_基准波为回波w_h1。然后计算得出该基准波w_基准波的过零点的时间t₀，根据公式T＝t₀+t'即可求出超声波传播时间T，式中，t'为一个固定的值。在基准波w_基准波中，如果第n点的幅值x_n与第n+1点的幅值x_n+1极性相反即相邻两采样点的幅值极性相反时则进行线性插值运算，计算出基准波w_基准波的信号过零点时间t₀。将计算出的回波信号坐标x_过零点作为信号过零点时间t₀，如图5所示，线性插值计算的过零点时间t₀：

本实施例是将步骤2)计算出来的各个周期内的回波的能量按照周期顺序与步骤3)得到的阈值E_th进行比较，将第一个大于阈值的回波能量所对应的周期内的回波作为基准波w_基准波。

在零流量的情况下计算t'：当超声波流量计管道中的流体静止时通过测量声道的长度以及根据此时的声速计算出此时准确的传播时间T₀，同时计算出零流速下的过零点对应的时间t'₀，则t'＝t'₀-T₀。

本发明通过上述方法求取的顺流时间t₁和逆流时间t₂具有较高的精确度，能够满足超声波流量计的测量要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。