一种多声路并行同步测流的超声波流量计及流量测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种多声路并行同步测流的超声波流量计及流量测量方法，在同一时刻对所有声路的发射换能器同时发送驱动信号，同时接收并检测所有声路接收换能器的超声波回波信号，从而测量各声路超声波在流体中正向（与流速方向相同）和逆向（与流速方向相反）传播时间，可以大幅度减少各声路流速测量的时间间隔，使得整个截面的流量测量更能真实地反映实际流量，解决传统多声路超声波流量计循环测量各声路流速的时间间隔过长、流量测量误差较大的问题，特别适用于流速变化较大的工况条件流量测量。
【专利说明】一种多声路并行同步测流的超声波流量计及流量测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多声路并行同步测流的超声波流量计及流量测量方法，属于流体 流量检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 时差法超声波流量测量原理如图1所示，利用安装在管道或渠道上游和下游对称 位置的两个超声波换能器，在一个时刻，上游换能器发射超声波信号，下游换能器接收超声 波回波信号，测量超声波在流体中正向传播时间T ud ;而在下一个时刻，下游换能器发射超 声波信号，上游换能器接收超声波回波信号，测量超声波在流体中逆向传播时间Tdu，根据声 路长L及声路与流体顺流方向之间夹角按式（1)计算出该声路的流体流速V a，然后结合 声路布置系数权重和截面形状参数来计算流量。
【权利要求】
1. 一种多声路并行同步测流的超声波流量计，其特征在于，由CPU、可编程逻辑器件、 并行发射驱动电路、阵列回波信号接收电路和发射与接收一体化电路组成，其中： 所述CPU负责超声波参数设置、测量流程管理、超声波信号的收发控制、截面流量计 算、数据保存、显示控制及通讯； 所述可编程逻辑器件根据CPU的指令，由频率合成逻辑形成超声波换能器的脉冲驱动 信号，并按照发射时序控制逻辑的要求，同时发送给并行发射驱动电路； 所述可编程逻辑器件内置与声路相同个数的传播时间计数器，可同时对所有声路正向 或逆向传播时间进行计数和测量； 所述可编程逻辑器件内设计阵列回波接收电路的接收控制逻辑，可同时实现对回波信 号的滤波选择、A/D采集控制、增益调节及检波； 所述并行发射驱动电路用于对驱动脉冲信号进行电压提升和功率放大，驱动发射换能 器发出对应频率的超声波信号； 所述阵列回波接收电路由限幅、窄带滤波、可变增益调节、检波及A/D采集电路组成， 用于对回波信号进行限幅，滤波，计算幅值，增益调幅和检波处理，并产生传播时间计数器 停止计数的控制信号； 所述发射和接收一体化电路负责所有声路超声波换能器并行发射信号和回波信号接 收隔离和切换控制。
2. 根据权利要求1所述的一种多声路并行同步测流的超声波流量计，其特征在于，所 述如果回波信号大于检波电平，则检波电路产生控制信号给可编程逻辑器件，使对应声路 的传播时间计数器停止计数。
3. 根据权利要求1所述的一种多声路并行同步测流的超声波流量计，其特征在于，所 述各声路的换能器在安装时进行精确对准，如果不是来自对应换能器的超声波信号，则接 收到的回波信号幅值会非常小，或者放大至同等幅值下时增益会特别大，通过幅值或增益 就可判断所接收的回波信号是否来自对应发射换能器，如果不是该声路的回波信号，则不 进行检波。
4. 根据权利要求1所述的一种多声路并行同步测流的超声波流量计，其特征在于，所 述并行发射驱动电路中，对可编程逻辑器件产生的并行驱动脉冲信号通过功率驱动芯片控 制场效应管的开与关，把电路板内的低电压Vl通过变压器提升至高电压V2,利用该高压脉 冲信号驱动发射换能器发出超声波信号。
5. 利用权利要求1至4中任意一项的多声路并行同步测流的超声波流量计进行流量测 量的方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 通过CPU进行声路参数配置、截面参数的配置及回波增益预设定，启动声路测量控 制信号，开始测量； 2) 可编程逻辑器件收到CPU发出的声路测量控制信号后，根据各声路参数配置和换能 器型号合成换能器对应频率的驱动脉冲信号，使其按照发射时序控制逻辑的要求，同时发 送给并行发射驱动电路，并使能可编程逻辑器件内各声路的传播时间计数器； 3) 并行发射驱动电路对脉冲驱动信号进行电压提升和功率放大，驱动发射换能器发出 对应频率的超声波信号； 4) 超声波信号在流体中传播，通过接收换能器接收并转换为电回波信号，该电回波信 号通过发射和接收一体化电路中的隔离电路送至阵列回波接收电路； 5) 可编程逻辑器件根据接收控制逻辑，控制阵列回波接收电路，适时打开限幅电路，选 择窄带滤波电路、启动A/D采集、打开可变增益调节电路和检波电路，对接收到的回波信号 进行限幅，滤波，计算幅值，增益调幅和检波； 6) 经阵列回波接收电路检波后，如果回波信号大于检波电平，则检波电路产生控制信 号给可编程逻辑器件，使对应声路的传播时间计数器停止计数，由此得到各声路的超声波 信号在流体中的传播时间； 7. CPU根据式（2)计算出各声路的瞬时流速Vi:
其中，Li为声路i的长度，Pt为声路i与流速之间的夹角，Tdui为i路超声波在流体中 逆流传播时间，Tudi为i路超声波在流体中顺流传播时间； 8. CPU根据式（3)计算截面的瞬时流量值
Q: 其中，Wi为声路布置权重系数，R为截面半径，N为声路数。
6.根据权利要求5所述的流量测量方法，其特征在于，所述步骤6)中，通过CPU控制检 波电路设置门槛电压作为检波电平。
【文档编号】G01F1/66GK104236649SQ201410431877
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年8月27日 优先权日:2014年8月27日
【发明者】徐方明, 刘国敏, 蓝彦, 彭文才, 朱浩, 韩宇琦, 闫丽 申请人:南京南瑞集团公司, 国网电力科学研究院