一种多声道超声测速装置及测速方法

本发明涉及单相流检测，具体地说是一种多声道超声测速装置及测速方法。

背景技术：

1、随着超声波流量计在各大民生领域的应用推广，对其测量性能的要求也逐渐提高，为了能够在此基础上得到改善，提高超声波流量计的测量精度及稳定性，国内外众多学者投入大量精力，通过仿真及实验的方法进行了相关的学术研究。

2、超声测量技术的研究一直被人们所重视，按照测量方法的研究超声波流量计总体可分为:速度差法、噪声法、相关法、多普勒效应法、波束位移法。目前在工业测量中，传播速度差法包含时差法、相差法、频差法，目前，在超声波流量计中，时差法和频差法是使用较多的两种方法，这两种方法应用起来比较方便，原理也通俗易懂，时差法、相差法、频差法原理相同，都是利用流体在顺流和逆流传播时速度的变化对其流速与流量进行计算，差别只在所测量的物理量是超声波产生的时间差、相位差还是频率差，相差法的准确度与温度的关系很大，频差法的精确度也受环境的影响，因此时差法适用范围最广，大管径和河流明渠的流量测量都可使用，频差法适用于大中管径的流量测量但相差法的实用性较差且应用范围较小，在实际应用中虽然原理同样简单但时差法与频差法应用较多。

3、多普勒效应法利用的是声学多普勒的基本原理，其原理是观察者在波源能够收到的信号的频率，能够随着观察者的靠近波源来升高，随着观察者远离波源的运动而降低。

4、噪声法超声流量计通过流体流动时随之产生的超声波或者声波和流体的流速间的关系进行流速的测量。此种超声波流量计的造价较低，结构简单，但噪声法本身具有的局限性导致其精度相对更低，所以这种流量计一般适用于一些所需精确度不高的场合来进行使用。

5、波束位移法是利用检测流体的流动而引发的超声波的波束移动角度从而来计算流体的流速，一般装置会由一个发射器和两个接收器组成，在发射器的对面对称于发射器轴线安装两个接收器，通过测量两个接收器的信号强度差值来计算流体流速。波束位移法也是比较适用于测量精度不高的流量测量之中。

6、相关法超声波流量计的基础是信息论和随机理论，这种方法属于一种流量标记方法，大部分的流体内部有着各种各样的不同类型的随机干扰，就会产生和流动状态有相关性的的流动信号，这些信号可以对流动介质进行示踪标记来进行观察，通过计算固定两个点的渡越时间，对流动介质的相关流速和流量进行测量。相关法适用于小管径管道和较小的流量测量。

7、目前，在声道布置方式研究领域中，浙江大学刘丹丹等学者提出了一种声道布置方式“z+v”型，并与常见的“x”型声道布置方式进行对比分析，提高了测量精度与可靠性，但当流场分布不均匀时，测量误差较大。王安琦等浙江大学学者采用神经网络算法解决不同安装效应下每个声道的权重系数问题，实验证明这种系列权重系数优于传统方法，可输出较小误差的结果。张巍设计的一种6通道压电超声换能器专门用来检测有色金属薄板的对接焊缝。在硬件检测电路的领域中，研究人员mario等提出了一种方法，即基于温度信息调整激励脉冲的重复频率。y.s.huang等人提出了调幅和调相结合的激励方法，使用调幅和调相包络方波作为激励信号，实现减少惯性延迟引起的渡越时间计算误差。min fang等人的研究表明，不同类型和幅值的激发波会对接收波形的能量产生不同的影响。基于这一发现，他们提出了一种在发射电路输出功率受限的情况下提高激励信号能量的方法。原佳豪研究了基于幅度相位调制的编码激励方案，并利用接收波形的编码特征进行信号检测，以有效改善阈值检测法中由于峰值比变化导致的渡越时间跳跃问题。

8、现存流量计无法实现现场在线校准，现场运用大口径流量计，不方便携带与装配。测量精度较低，目前国内外已有的单对超声波换能器超声波流量计包含外贴式、插入式和管段式超声波流量计。其中，插入式和管段式超声波流量计都需要对测量管道进行不同程度的破坏。

9、同时，单一超声波换能器对于散射声信号的提取及接收是对于测量精度影响的主要原因。流动无法实现实时提取，由于场内测量单位数量过少的影响，需要依靠大量算法以及实验，得到平均数据再对测量结果进行分析，不能实现实时处理。

10、流量是由于流体流动产生的，在实际现场中流量值常处于动态变化状态。传统流量计量仪器检定方式都要求在稳定流量值上进行，与现场的流动状态相差较大，稳态校准的流量计用于现场动态变化的流量产生较大测量误差，因此迫切需要研究一种更准确的适用于现场流动状态的计量检定系统，对提升现场流量计量的准确度具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种多声道超声测速装置，以解决现有装置中流速测量误测较大的问题。

2、本发明目的之一是这样实现的：一种多声道超声测速装置，包括有:

3、传感器组件，

4、所述传感器组件包括有：

5、2n个上游超声波换能器，设置在垂直于管道轴心线的同一横截面上，并在横截面所在的上游管道外壁上按照圆周阵列的方式均匀排列，

6、2n个下游超声波换能器，设置在垂直于管道轴心线的同一横截面上，并在横截面所在的下游管道外壁上按照圆周阵列的方式均匀排列，所述2n个上游超声波换能器与所述2n个下游超声波换能器分别一一对应，位于管道侧壁的同一母线上，所述n为1、2、3或4；

7、超声波收发控制单元，与所述传感器组件和控制单元相连接，用于控制传感器组件之间的超声波信号发送和接收；以及

8、控制单元，与超声波收发控制单元相连接，用于向超声波收发控制单元发送和接收信息，并根据接收到的信息计算测速结果。

9、进一步地，本发明可以按如下技术方案实现：

10、所述超声波收发控制单元与传感器组件通过超声波连接线束连接；

11、所述超声波收发控制单元包括有：

12、超声激励模块，与所述控制单元和发射接收切换模块连接，用于控制传感器组件发射超声波信号；

13、发射接收切换模块，与所述控制单元、超声接收模块和超声激励模块连接，用于控制传感器组件中的发射或接收功能进行切换；以及

14、超声接收模块，与所述控制单元和发射接收切换模块连接，用于控制传感器组件接收超声波信号。

15、所述控制单元包括有：

16、信号控制模块，与所述超声波收发控制单元、数据采集模块和通讯模块连接，用于微控制器对超声波收发控制单元进行控制与调节，对接收到的信号进行数字信号处理，计算出流速,并进行数据存储、分析后，将信息通过通讯模块发送给上位机；

17、数据采集模块、与所述超声波收发控制单元和上位机连接，用于将超声波收发控制单元控制的发射与接收信息发送给上位机；

18、通讯模块，与信号控制模块和上位机连接，用于将信号控制模块处理后的信息发送给上位机；以及

19、上位机，与数据采集模块和通讯模块连接，用于显示分析后的信息，并通过通讯模块对信号控制模块进行指令发送。本发明的目的之二是提供一种多声道超声测速方法，以解决现有方法中无法实现实时测量处理的问题。

20、本发明目的之二是这样实现的：一种多声道超声测速方法，包括有如下步骤：

21、s1、所述多声道超声测量方法应用于权利要求1所述的多声道超声测速装置；

22、s2、超声波收发控制单元控制上游超声波换能器an向下游超声波换能器bn发射超声波信号，从发出到接收到的传播时间记为顺流渡越时间t1n；同时控制未接收超声波信号的下游超声波换能器dn向上游超声波换能器cn发射超声波信号，从发出到接收到的传播时间记为逆流渡越时间t2n；上游超声波换能器an与下游超声波换能器dn位于同一母线上，所述上游超声波换能器cn与所述下游超声波换能器bn位于同一母线上，所述n为1、2、3或4；

23、s3、将得到的多个t1n采用加权平均模型乘以权重系数，将所有乘积的和除以所有权重系数的和，得到加权平均值顺流渡越时间t1；将得到的多个t2n采用加权平均模型乘以权重系数，将所有乘积的和除以所有权重系数的和，得到加权平均值逆流渡越时间t2；

24、s4、超声波收发控制单元将得到的顺流渡越时间t1和逆流渡越时间t2发送至控制单元进行计算，得出测量速度v；

25、超声波的顺流情况下顺流渡越时间t1：

26、

27、式中：l为上游超声波换能器a1与下游超声波换能器b1之间的距离；c为超声波的传播声速；v为流体的流动速度；θ为靠上的管道壁与上游超声波换能器a1和下游超声波换能器b1的夹角；对公式1进行变形：

28、

29、超声波在逆流情况下的逆流渡越时间t2：

30、

31、对公式2进行变形：

32、

33、通过公式2和公式4得出：

34、

35、顺流情况和逆流情况的渡越时间差δt为：

36、

37、则流速v的公式为：

38、

39、本发明采用外贴式传感器组件进行测速。对于实际工程而言，外贴式可以实现在管道不断流停产情况下的流量测量，用户不需进行严格的专业培训就可自行安装，在价格上也大大低于其他两款超声波流量计，大大方便了工程上的应用。

40、本发明的测速装置适用于复杂工况、高精度的流速检测仪器，在线流速测量装置可避免断流停产现象的发生，优化系统的硬件电路，为流速测量提供了一种新型动态测量手段。

41、由于管道截面不同位置的流速差异，本发明的多声道超声流量计通过得到多个声道线速度并进行加权计算，从而得出管道内流体流速的测量结果。多声道流量计与单声道流量计相比，既能够避免校准误差，又能够很好地捕捉流动的动态特征，测量精度也提高许多。本发明采用16个超声波换能器进行测速，控制模块可以控制所有超声波换能器同时启停，可以得到流量同一时间的多组数据，得到的数据通过通讯模块传送至上位机，再通过算法计算就可得出流量的大小，为生产生活中的高精度流量测量提出了一种新方法。同时本发明可以实现流体流量的远程校准。

42、硬件具体实现目的：

43、(1)用户登录界面，有总开关可以控制整个系统的开启

44、(2)超声波换能器开始相互交替发射超声波束,超声波换能器要具备收发功能，并且可以存储对采集到的数据进行滤波,滤去各种干扰、谐波、噪声等,系统时序也可实现控制。

45、(3)采集数据后,调用数据处理程序识别超声波接收信号的到达时间点,并计算出流体流速。

46、(4)最后,通过显示模块显示测量流速结果,再调用一个存储器写入程序将瞬时流速存储到片外中。