专利名称：一种超声回波传播时间测量方法
技术领域：
本发明属于超声流量测量技术领域，具体涉及一种在超声流量计中超声回波传播时间测量方法。
背景技术：
超声流量计是利用超声波信号在流体中传播时承载流速信息来计算流体流速，进而推算出流量的新型流量测量仪表，具有非接触式，测量精度高，安装维护方便等优点。超声回波传播时间是指发射端超声换能器发射信号到接收端换能器接收信号所经历的时间间隔，如
图1所示，T为真实超声回波传播时间，T'为实际测量的传播时间。通常发射信号是信噪比较高的规则波形(方波或正弦波等)，发送时刻易确定，而由于超声传播路径上的噪声干扰，信号到达时并非规则波形。因此信号到达时刻定位困难，T和T'之间总会存在一定的偏差，因此给超声回波传播时间测量造成一定的困难。在现有技术中，可以采用基波与信号做相关运算得到超声回波到达时间，所用的基波信号是预先存储的。但是，不同流速下流体流态存在差异。流速较小时流体质点只沿流动方向作一维运动，表现为分层流动称为层流。当流速较大时，流体会出现其他非流动方向上的随机运动，表现为紊乱流动称为湍流。由于流速影响，超声回波信号波形可能会发生变化，使用在某一流速下获得的固定基波信号来计算动态超声信号的传播时间，往往结果误差很大。此外还有一种门限法确定信号到达时间，当超声回波信号幅值超过设定阈值并检测到波形特征点时(过零点)认为回波信号到达，修正后得到到达时刻，如图1中的T'对应的到达时刻。门限法的显著缺点是由于管道中介质流速、温度和压力等参数变化，信号波动较大，噪声信号叠加到声波中容易产生误触发或者不触发，导致测量偏差较大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种在超声流量计中超声波传播时间测量方法，能够提高超声波传播时间的测量精度。该方法是这样实现的一种流体中超声波传播时间测量方法，换能器发射端发射超声波信号，换能器接收端接收超声回波信号；包括步骤1、将流体的流速范围划分为m个流速分布区间V1, V2,…，Vm，为每个流速分布区间设置一个对应的用于进行相关运算的基波信号，因此有m个基波信号R1, R2, -,Rffl, 所有基波信号的初始值均为零，m为正整数；流体处于静态时，提取基波信号并存储为静态基波信号Rtl ；超声波传播时间包括顺流传播时间和逆流传播时间，顺流和逆流的传播时间分别测量，对应于划分的m个流速分布区间，顺流和逆流各自存储m个基波信号；步骤2、动态测量开始后，执行一次顺流测量和一次逆流测量，在顺流测量中使用为顺流测量存储的m个基波信号，在逆流测量中使用为逆流测量存储的m个基波信号；顺流测量和逆流测量的过程相同，包括如下步骤3 6 ；步骤3、先将当前流速下超声回波信号S(t)与静态基波信号Rtl作互相关运算，得到当前流速下的超声传播时间T1 ；用得到的超声传播时间T1进行流速估计，得到估计流速 Vi ；步骤4、确定估计流速V1所处的流速分布区间Vi,在各基波信号中搜索Vi对应的基波信号氏，如果该基波信号氏为零，则执行步骤5 ；否则，执行步骤6 ；步骤5、针对当前流速下超声回波信号S (t)，提取基波信号，将基波信号氏更新为提取的基波信号；然后利用当前流速下超声回波信号S(t)与更新后的基波信号氏进行互相关运算，根据互相关运算峰值得到超声传播时间T2，T2取代T1作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成；步骤6、将当前流速下超声回波信号S(t)与基波信号Ri作互相关运算，得到超声传播时间T3，T3取代T1作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成。较佳地，所述基波信号的提取过程为a.依据超声波在管径中的声程L和流体中超声波传播速度C0，估计回波信号到达时间ts ；b.对换能器接收端采样的原始超声回波信号的离散点S(k)加时间矩形窗，k = l..P，P为总采样点数，窗内的超声回波信号记为S' (k)；时间矩形窗的起点Ntl为从预估的回波信号到达时间ts向时间零点移动一段预设时长△；时间矩形窗的长度为预设长度；c.利用预设的能量约束条件λ确定初始基准点位置1 ；其中，0 < λ < 1 ；具体为①搜索时间矩形窗内信号最大值点对应位置点，记为kp，计算kp到时间矩形窗起始点N0间的信号能量
权利要求
1.一种流体中超声波传播时间测量方法，换能器发射端发射超声波信号，换能器接收端接收超声回波信号；其特征在于，包括步骤1、将流体的流速范围划分为m个流速分布区间V1, V2,…，Vm，为每个流速分布区间设置一个对应的用于进行相关运算的基波信号，因此有m个基波信号R1, R2, -,Rffl,所有基波信号的初始值均为零，m为正整数；流体处于静态时，提取基波信号并存储为静态基波信号Rtl ；超声波传播时间包括顺流传播时间和逆流传播时间，顺流和逆流的传播时间分别测量，对应于划分的m个流速分布区间，顺流和逆流各自存储m个基波信号；步骤2、动态测量开始后，一个完整的测量过程需要执行一次顺流测量和一次逆流测量，在顺流测量中使用为顺流测量存储的m个基波信号，在逆流测量中使用为逆流测量存储的m个基波信号；顺流测量和逆流测量的过程相同，包括如下步骤3 6 ；步骤3、先将当前流速下超声回波信号S (t)与静态基波信号R0作互相关运算，根据互相关运算峰值得到当前流速下的超声传播时间T1 ；用得到的超声传播时间T1进行流速估计，得到估计流速步骤4、确定估计流速V1所处的流速分布区间Vi,在各基波信号中搜索Vi对应的基波信号Ri,如果该基波信号Ri为零，则执行步骤5 ；否则，执行步骤6 ；步骤5、针对当前流速下超声回波信号S (t)，提取基波信号，将基波信号Ri更新为提取的基波信号；然后利用当前流速下超声回波信号S(t)与更新后的基波信号Ri进行互相关运算，根据互相关运算峰值得到超声传播时间T2，T2取代T1作为当前流速下超声传播时间， 单次测量完成；步骤6、将当前流速下超声回波信号S (t)与基波信号Ri作互相关运算，得到超声传播时间T3，T3取代T1作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基波信号的提取过程为a.依据超声波在管径中的声程L和流体中超声波传播速度CO，采用经验公式估计回波信号到达时间ts ；b.对换能器接收端采样的原始超声回波信号的离散点S(k)加时间矩形窗，k= 1. . P， P为总采样点数，窗内的超声回波信号记为S' (k)；时间矩形窗的起点Ntl为从预估的回波信号到达时间ts向时间零点移动一段预设时长△；时间矩形窗的长度为预设长度；c.利用预设的能量约束条件λ确定初始基准点位置Ictl；其中，O < λ < 1 ；具体为①搜索时间矩形窗内信号最大值点对应位置点，记为kp，计算kp到时间矩形窗起始点N0间的信号能量耳=Σ广㈨；②以Ntl点为起始点向kp点搜索，针对每个被搜索到的位置kA，判断是否满足 EA=ts'2(k)>lE0 ,当找到第一个满足条件的kA时，停止搜索；③再以kA点为起始点向kp方向搜索最近的负过零点，如果负过零点落在两个离散点之间，则采用多项式拟合得到精确的负过零点位置记为h，作为所述初始基准点位置；d.从初始基准点位置Ictl向时间轴零点移动5π /K0,到达位置Ic1，将Ic1作为超声回波信号到达时刻，将接收的整个超声回波信号向时间零点平移h，得到基波信号，结束基波信号的获取流程。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在执行步骤d之前，进一步包括步骤d’利用预设的相位约束条件Y判断位置&是否为信号到达基准点，O < γ < 1 ；具体为①对时间矩形窗内的信号做希尔伯特Hilbert变换，得到Hilbert变换信号，并根据 Hilbert变换信号计算超声回波信号各点的瞬时相位；瞬时相位为周期分布，周期与超声换能器谐振周期相同，幅值在-η η之间，对瞬时相位信号在过零点附近直线拟合，得到各周期内瞬时相位的直线斜率K和过零点P;其中，将最靠近、的相位周期对应的斜率和过零点定义为Ktl和Ptl，沿时间轴零点方向进行编号增大的命名，得到Ptl, P1, L，Pn, K0, K1, L，Kn ； 其中，η为预设的整数值；②在P1..Pn中搜索满足以下条件的过零点Pi,该过零点Pi的直线斜率Ki与Ktl的差值的绝对值大于Y K0,且过零点Pi位于初始基准点位置h的左边；如果搜索到过零点Pi,则确定所述位置h为信号到达基准点，执行所述步骤d ；否则，执行新增加的步骤e ；步骤e.将初始基准点位置Ictl向时间零点搜索5 π /Κ，Κ为静态时的Ktl，到达位置k' 1； 将k'工作为超声回波信号到达时刻，将接收的整个超声回波信号向时间零点平移k'工，得到基波信号，结束基波信号的获取流程。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述能量约束条件λ的取值选取过程为(1)静态时，采集M次超声回波信号SOi(j)，i= 1..M, j = 1.. N，N为每次采集的采样 点数；将M次信号叠加取平均作为静态超声回波信号SO
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述静态基波信号提取过程和静态时K确定如下(1)静态时，采集M次超声回波信号S0i(j)，i= 1..M, j = 1.. N，N为每次采集的采样M点数；将M次信号叠加取平均作为静态超声回波信号
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤(3)中，记录第一个显著峰值点 (Ti, Xi)对应的i值作为所述n，或者i_l作为所述n。
7.如权利要求2至5任意一项所述的方法，其特征在于，A= (0. 2 0. 3)D/sin 0， 其中D为管道直径，e为超声回波信号传播路径与管道轴向夹角。
8.如权利要求2至5任意一项所述的方法，其特征在于，所述时间矩形窗长度为 A + A2, A2 彡 1. 5ts。
9 .如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述相位约束条件Y的取值区间为0.01 0. 02。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括定期更新各流速分布 区间对应的基波信号。
全文摘要
本发明公开了一种流体中超声波传播时间测量方法，针对不同的流速采用相应的基波信号进行互相关运算，搜索互相关函数峰值即可得到传播时间。不同流速的基波信号是在动态测量的过程中提取的实际数据，因此具有较好的精度，能够反映实际情况。采用相应流速的基波信号进行互相关运算，从而计算动态超声信号的传播时间，测量误差大大减小，减小了测量结果的不确定性。而且，互相关运算是利用信号相似性，相似度越高精度越高，对非相关噪声抑制效果明显。本发明还提供了一种新的基波提取方式，其通过设定的能量约束边界，准确获得基波信号，与采用门限法获得回波到达时间从而提取基波信号相比，本发明提取的基波信号的起始段更加准确。
文档编号G01F1/66GK102297712SQ20111019529
公开日2011年12月28日 申请日期2011年7月12日 优先权日2011年7月12日
发明者王军政, 郭坤, 马立玲 申请人:北京理工大学