采用跳频信号的时差式超声波流速测量方法与流程

本发明属于流体流速测量领域，具体涉及一种采用跳频信号的时差式超声波流速测量方法。

背景技术：

时差法测量河(渠)道端面平均流速，是利用声波在流体中传播时，因流体流动方向不同而传播速度不同的特点，测量声信号顺流传播时间和逆流传播时间的差值，从而计算流体流动的速度，原理如附图1所示。

现有的超声波流速仪主要使用单频脉冲信号幅度检测的方法来测量声波传播时间，检测方法如附图2所示。河(渠)道两端接收电路对接收的单频脉冲信号进行幅值检测，与门限值比较，高出门限值时刻则为信号接收到时刻，与信号发射时刻的时间差为声波传播时间。声波传播时间测量准确度受2路接收信号幅度一致性影响较大，对换能器参数一致性及设备配调要求较高，降低了生产效率，增加了生产成本。水声信号幅度受水面、水底反射及异物遮挡等因素影响较大，对设备安装环境要求较高，增加了安装难度，降低了设备环境适应性。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种采用跳频信号的时差式超声波流速测量方法，用于测量的超声波信号包含多个信号段，不同信号段具有互不相同的信号频率，信号段的分界点即跳频点，接收到超声波信号时，通过检测跳频点及各信号段时长确定超声波接收时刻，降低信号幅度一致性要求，降低换能器参数一致性及设备配调要求，提高流速测量稳定性及环境适应性。

本发明的技术方案是采用跳频信号的时差式超声波流速测量方法，在流体通道两侧壁上间隔设置第一换能器、第二换能器，第一换能器、第二换能器的连线和流体的流动方向形成一定夹角，第一换能器、第二换能器轮流发射同样的2路超声波信号，并接收对方发射的超声波信号，确定2路超声波信号的接收时间差，测量方法包括以下步骤，

步骤1：第一换能器、第二换能器轮流发射包含多个信号段的超声波信号，不同信号段具有互不相同的信号频率；

步骤2：第二换能器接收第一换能器发射的超声波信号，检测不同信号段的分界点即跳频点，依据跳频点的时刻以及各信号段的时长确定超声波信号的接收时刻；

步骤3：第一换能器接收第二换能器发射的超声波信号，检测不同信号段的分界点即跳频点，依据跳频点的时刻以及各信号段的时长确定超声波信号的接收时刻；

步骤4：比较步骤2和步骤3的超声波信号的接收时刻，计算时间差；

步骤5：采用时差法，根据步骤4的时间差，计算出流体的流速。

进一步地，步骤2或步骤3中，所述检测不同信号段的分界点之前，对接收的超声波信号进行平滑滤波。

进一步地，超声波信号为正弦波信号。

进一步地，步骤2或步骤3中，所述检测不同信号段的分界点，查找超声波信号的所有波峰点、波谷点，通过波峰点或者波谷点计算每个正弦波信号周期，依据信号周期确定不同信号段的分界点，即跳频点。

优选地，不同信号段包含相同数量的信号周期。

优选地，超声波信号的不同信号段的频率依次为204khz、210khz、205khz、209khz、206khz、208khz、207khz。

相比现有技术，本发明的有益效果：

1)本发明的方法测量精度高、实时性好，流速测量稳定性高，抗干扰能力强，环境适应性好；

2)跳频点易于检测，相比幅值比较的方法，对换能器参数一致性及设备配调要求低，提高了生产效率，降低了生产成本；

3)超声波信号包含多个信号段和跳频点，每个跳频点都可作为接收时刻参考点，用于确定超声波接收时刻，即使接收的超声波信号部分畸变也不会影响传播时差的准确测量。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为时差式超声波流速测量方法的原理示意图；

图2为单频脉冲信号幅值检测示意图；

图3为实施例的第一路超声波信号波形图；

图4为实施例的第二路超声波信号波形图；

图中t1为第一信号段信号周期，t2为第二信号段信号周期，t3为第三信号段信号周期，td1为第一跳频点到接收时刻信号时长，td2为第二跳频点到接收时刻信号时长，t10为第一路超声波信号的接收时刻，t11为第一路超声波信号的第一跳频点的时刻，t12为第一路超声波信号的第二跳频点的时刻，t20为第二路超声波信号的接收时刻，t21为第二路超声波信号的第一跳频点的时刻，t22为第二路超声波信号的第二跳频点的时刻。

具体实施方式

如图1所示，采用跳频信号的时差式超声波流速测量方法，在河道两侧间隔设置第一换能器、第二换能器，第一换能器、第二换能器的连线和河水的流动方向形成一定夹角，第一换能器、第二换能器轮流发射同样的2路正弦超声波信号，并接收对方发射的超声波信号，确定2路超声波信号的接收时间差，测量方法包括以下步骤，

步骤1：第一换能器、第二换能器轮流发射包含7个信号段的超声波信号，不同信号段具有互不相同的信号频率；

步骤2：第二换能器接收第一换能器发射的第一路超声波信号，进行平滑滤波，检测不同信号段的分界点即跳频点，依据跳频点的时刻以及各信号段的时长确定超声波信号的接收时刻，如图3所示；

步骤2.1：接收第一换能器发射的超声波信号，进行平滑滤波；

步骤2.2：查找接收的超声波信号的所有波峰点、波谷点，通过波峰点或者波谷点计算每个正弦波信号周期，依据信号周期确定不同信号段的分界点，即跳频点；

步骤2.3：选择其中一个跳频点，如第一跳频点作为接收时刻参考点，计算第一路超声波信号的接收时刻t10，t10＝t11-td1；

步骤3：第一换能器接收第二换能器发射的第二路超声波信号，进行平滑滤波，检测不同信号段的分界点即跳频点，依据跳频点的时刻以及各信号段的时长确定超声波信号的接收时刻，如图4所示；

步骤3.1：接收第二换能器发射的第二路超声波信号，进行平滑滤波；

步骤3.2：查找接收的超声波信号的所有波峰点、波谷点，通过波峰点或者波谷点计算每个正弦波信号周期，依据信号周期确定不同信号段的分界点，即跳频点；

步骤3.3：选择其中一个跳频点，如第二跳频点作为接收时刻参考点，计算第二路超声波信号的接收时刻t20，t20＝t21-td2；

步骤4：比较步骤2和步骤3的超声波信号的接收时刻，计算时间差，时间差δt＝t20-t10；

步骤5：采用时差法，根据步骤4的时间差δt，计算出河水的流速。

超声波信号的7个信号段的频率依次为204khz、210khz、205khz、209khz、206khz、208khz、207khz。

如图1所示，时差法依据换能器接收对置的换能器同时发射的超声波信号的时间差δt，

δt＝t2-t1(1)

vp＝vcosα(4)

其中l为第一换能器、第二换能器之间的距离，c为流体中的声速，v为流体流速，α为换能器相对于流体通道的安装角度，vp为流体流速沿换能器方向的速度分量，t1为超声波信号从换能器a到换能器b的传播时间，t2为超声波信号从换能器b到换能器a的传播时间；

综合式(1)(2)(3)(4)，可得

因流体流速远远小于流体中的声速，即v＜＜c，由式(5)可得

经变换，可得

步骤5中，利用式(6)即可计算出水流的流速。

时差法的具体细节参考国际标准iso6416-1992:超声(声)波法测流。

实施例中，接收的正弦超声波信号的跳频点如第一跳频点、第二跳频点，易于检测，相比幅值比较的方法，对换能器参数一致性及设备配调要求低，提高了生产效率，降低了生产成本；超声波信号多个跳频点可作为接收时刻参考点，用于确定超声波接收时刻，增加了有效数据样本，对比多个跳频点也可判断信号传输过程中是否因干扰因素发生畸变或中断。