一种提高时差法超声波流量计测量精度的方法与流程

本发明涉及一种提高时差法超声波流量计测量精度的方法，属于超声流量测量领域。

背景技术：

1、时差法是超声波流量计中应用较为广泛的一种流量测量技术，它利用脉冲超声波在流体中顺向与逆向传播时间差对流体流速进行测量，再通过流速获得流量。超声波在介质中的传播速度通常与被测流体介质种类和介质温度有关，同时介质密度与介质温度也相关。因此，采用超声波测量技术进行质量流量测量时会受到有管道内流体介质温度的影响，从而影响流量计测量精度。为克服流体介质温度的影响，传统的方法通常是在超声波流量计外部设置测温点来获取流量计温度，用该温度信息对流量测量结果进行补偿。该方法存在以下问题：(1)需要额外的温度传感器，且所获得的是流体近似温度而并非管道内流体实际温度。(2)对于分体式的超声波流量计(测量电路与超声波流量传感器采用线缆连接)，测量电路上的信号传播延时以及电路温度变化都会对超声传播时间测量带来不利影响，并最终影响流量测量精度。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种提高时差法超声波流量计测量精度的方法，设计测量时序，克服电路延时及其温度变化对超声波传播时间测精度的影响，并将流体温度信息纳入流量测量模型，提升了时差法超声波流量计测量精度和环境适应性。

2、本发明的技术解决方案是：

3、一种提高时差法超声波流量计测量精度的方法，包括：

4、搭建超声波流量计测量电路，设计测量时序，获得超声波在流体中顺流、逆流传播时间；

5、根据超声波在流体中顺流、逆流传播时间，计算流体温度值；

6、构建包括超声波在流体中顺流传播时间参数、逆流传播时间参数、流体温度参数的流量测量模型，基于所述模型得到超声波流量值。

7、优选的，搭建超声波流量计测量电路，所述电路包括微控制器、流量计、第一信号放大器、第二信号放大器、带通滤波器、模数转换器；

8、流量计具有超声换能器a、超声换能器b，各个换能器的两端各连接一个模拟开关后并联；

9、微控制器发射脉冲信号经第一信号放大器放大后分别传输至模数转换器、流量计的一端；

10、流量计的另一端依次连接第二信号放大器、带通滤波器、模数转换器。

11、优选的，设计的测量时序为：

12、超声换能器a发射超声波信号后再接收该信号的反射回波，获取信号传播时间ta-a；

13、超声换能器a发射超声波信号，超声换能器b接收该信号，获取信号传播时间ta-b；

14、超声换能器b发射超声波信号，超声换能器a接收该信号，获取信号传播时间tb-a；

15、超声换能器b发射超声波信号后再接收该信号的反射回波，获取信号传播时间tb-b。

16、优选的，超声换能器a发射超声波信号后再接收该信号回波的具体方法为：

17、超声换能器a两侧的模拟开关闭合，超声换能器b两侧的模拟开关打开；

18、微控制器发射脉冲串，经信号放大后激励超声换能器a发射超声波，同时模数转换器采集经信号放大器放大后的发射信号；

19、超声波经流体传播到超声换能器b，由超声换能器b反射的回波信号返回至超声换能器a，由超声换能器a接收，对回波信号放大、滤波后由模数转换器采集传输至微控制器，利用模数转换器获取的发射信号与回波信号，采用互相关运算获得ta-a。

20、优选的，超声换能器a发射超声波信号，超声换能器b接收该信号的具体方法为：

21、与第一信号放大器相连的、位于超声换能器a一侧的模拟开关闭合，位于超声换能器a另一侧模拟开关打开；与第一信号放大器相连的、位于超声换能器b一侧的模拟开关打开，位于超声换能器b另一侧模拟开关闭合；

22、微控制器发射脉冲串，经信号放大后激励超声换能器a发射超声波，同时模数转换器采集经信号放大器放大后的发射信号；

23、超声波经流体传播到超声换能器b，超声换能器b接收信号，信号经放大、滤波后由模数转换器采集传输至微控制器，利用模数转换器获取的发射信号与回波信号，采用互相关运算获得ta-b。

24、优选的，超声换能器b发射超声波信号，超声换能器a接收该信号的具体方法为：

25、与第一信号放大器相连的、位于超声换能器b一侧的模拟开关闭合，位于超声换能器b另一侧模拟开关打开；与第一信号放大器相连的、位于超声换能器a一侧的模拟开关打开，位于超声换能器a另一侧模拟开关闭合；

26、微控制器发射脉冲串，经信号放大后激励超声换能器b发射超声波，同时模数转换器采集经信号放大器放大后的发射信号；

27、超声波经流体传播到超声换能器a，超声换能器a接收信号，信号经放大、滤波后由模数转换器采集传输至微控制器，利用模数转换器获取的发射信号与回波信号，采用互相关运算获得tb-a。

28、优选的，超声换能器b发射超声波信号后再接收该信号回波的具体方法为：

29、超声换能器b两侧的模拟开关闭合，超声换能器a两侧的模拟开关打开；

30、微控制器发射脉冲串，经信号放大后激励超声换能器b发射超声波，同时模数转换器采集经信号放大器放大后的发射信号；

31、超声波经流体传播到超声换能器a，由超声换能器a反射的回波信号返回至超声换能器b，由超声换能器b接收，对回波信号放大、滤波后由模数转换器采集传输至微控制器，利用模数转换器获取的发射信号与回波信号，采用互相关运算获得tb-b。

32、优选的，获得超声波在流体中顺流、逆流传播时间：

33、

34、

35、式中，为超声波在流体中逆流传播时间，为超声波在流体中顺流传播时间。

36、优选的，根据超声波在流体中顺流、逆流传播时间，计算流体温度值：

37、通过温度标定，获得流体温度与超声信号顺、逆流传播时间之和的关系式为：

38、

39、式中，k和b表示标定系数，均为常数；为超声波在流体中逆流传播时间，为超声波在流体中顺流传播时间。

40、优选的，构建包括超声波在流体中顺流传播时间参数、逆流传播时间参数、流体温度参数的流量测量模型，所述流量测量模型为：

41、

42、式中，qm为管路中流体流量，ρ为流体密度，d为测量管路内径，l为超声波传播路径长度，为超声波在流体中逆流传播时间，为超声波在流体中顺流传播时间，tflow为流体温度。

43、本发明与现有技术相比的优点在于：

44、(1)本发明采用超声回波技术获取流体温度，并将流体温度信息纳入流量测量模型，获得更精确的流量测量结果。无需外贴测温传感器，降低了硬件复杂度的同时提升了流体温度估计值的准确度，提升流量计算精度。

45、(2)本发明设计特定测量时序，通过每两个相邻的测量时序，可获得一个被测量(如逆流时间、时间差、顺流时间)。一方面，可以克服电路延时及其温度变化对超声波传播时间测精度的影响，使时差法超声波流量计环境适应性得到提升。另一方面，通过将被测量相关的测量时序设置为相邻，可以减小流体扰动对测量结果的影响，从而提高被测量的准确度。此外，通过上述时序测量方案，简化了硬件电路的复杂度，降低了体积功耗。