一种超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法及应用与流程

本发明涉及超声波流量计，特别一种超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法。

背景技术：

1、超声波流量计是目前工业领域常用的流量计量仪表之一，在流量测量领域有广泛的应用。其基本原理是通过测量介质流速，通过时差法实现流量的测量。时差法具有很高的准确度，且计量方便、精度较高，但对介质流速有要求。如果介质流速较高时，其测量误差较大；而当介质流速较低时，测量精度也不高。目前国内在这方面研究比较多的是渡越时间法，其原理是通过测量超声波在介质中传播的时间来确定介质的流速。目前有多种渡越时间测量方法，但对渡越时间精度的检测方法比较少，本发明主要涉及一种检测超声波流量计渡越时间精度的方法及装置，通过计算原理与实例相结合的方式，介绍如何用该方法实现超声波流量计的渡越时间测量精度检测。

2、超声波流量计以测量声波在流动介质中传播的时间与流量的关系为原理，通过提取管道内的流速信息，进行流体的流量测量。通常认为声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度cf和流体轴向平均流速v在声波传播方向上的分量组成。按图5所示，其中a为上游探头，b为下游探头，则该声道上的传播关系有：

3、

4、式(1)中，

5、tab——超声波在流体中顺流传播的渡越时间；

6、tba——超声波在流体中逆流传播的渡越时间；

7、l——声道长度；

8、cf——声波在流体中传播的速度；

9、v——流体的轴向平均流速；

10、——声道角度。

11、流体流速的表达式如公式(2)所示：

12、

13、对于超声波流量计来说，其体积流量可通过时差法测量所得各声道声速的积分值乘以过流面积，即可得到体积流量qv，如下：

14、

15、式(3)中，

16、r——被测管道半径；

17、wi——i声道积分权重值；

18、流速决定了体积流量的计算误差，故可以通过控制声道传输时间差的方法来实现体积流量的模拟流态变化的状态，从而实现在静态实验环境中模拟实流状态下的体积流量计算结果测试。

19、因此，超声波流量计的渡越时间大小可以用来衡量超声波流量计的准确度，渡越时间的精度可以反映流量计对流体流动状况的正确反映程度，这对流量测量是至关重要的。

20、目前渡越时间的测量方法有很多，例如延迟线内插法、电子计数法、双线法和多点法等，不同的方法测出的渡越时间不同。在实际应用中，可以用多次测量超声波在不同介质中传播所需要的时间来计算渡越时间。但当介质流速很低时，多次测量得到的渡越时间相差很大，无法进行比较和分析。同时当超声波在流体中传播时，还会受到流体对超声波传播速度和频率等因素影响，所以在实际应用中也难以准确测量出渡越时间。

21、因此，有必要对超声波流量计渡越时间进行检测。通过检测超声波流量计对流体流动状况的正确反映程度可以确定流量测量精度是否符合要求。目前对超声波流量计渡越时间测量精度进行检测比较有效的方法是采用脉冲重复频率法(pulse-repetitivefrequency,prf)、fpga或时间芯片gp22进行超声波渡越时间的高精度测量。脉冲重复频率法具有简单、快速等特点，可以用来检测超声波流量计的渡越时间精度。但这种方法不能消除流体对超声波传播速度和频率等因素影响，而且对流量测量精度要求高。fpga或时间芯片gp22测量法的测量精度一般能达到100ps左右，但是在渡越时间测量精度检测方面没有相应的方法和装置。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种自动化程度高、集成度高、操作简单方便的超声波流量计渡越时间测量精度检测方法及装置，实现超声波传输时间测量精度的自动检测和自动修正校准功能。

2、本发明的技术方案为：一种超声波流量计渡越时间测量精度检测修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

3、step1、渡越时间测量精度检测装置进行正程渡越时间t1及逆程渡越时间t2的测量；

4、step2、渡越时间测量精度检测装置对于渡越时间测量精度检测的次数n；

5、step3、渡越时间测量精度检测装置设定并发送延时器延时时间t0；

6、step4、先测量延时后正程渡越时间，获取测量值t3(n)，同时测量延时后逆程渡越时间测量，获取测量值t4(n)；

7、step5、调用step1测量的t1、t2计算测量值时间差δt1(n)和δt2(n)，公式如下：

8、δt1(n)＝t3(n)-t1；

9、δt2(n)＝t4(n)-t2；

10、step6、对比δt1(n)、δt2(n)与t0的误差，误差计算公式如下：

11、

12、

13、step7、重复step4～step6，计算第n次测量后得到渡越时间测量的正程或逆程时间差的修正系数kn，计算公式如下，正程为i＝1，逆程为i＝2，

14、

15、step8、对n次计算所得正程或逆程时间差的修正系数取平均值；

16、

17、step9、通过该系数用来修正t3、t4，计算修正后的正逆程渡越时间t33、t44；修正公式如下：

18、

19、

20、作为上述技术方案的进一步改进：

21、优选地，所述渡越时间测量精度检测装置包括：

22、高精度脉冲延时控制器，所述高精度脉冲延时控制器用于控制脉冲延迟输出3ns至2us，延时调步进为10ps，延时精度不小于100ps；

23、延时设定值输入接口，所述延时设定值输入接口与高精度脉冲延时控制器相连接，用于接受流量测量主机外部mcu的控制指令，从而改变脉冲输出延时长度；

24、方波信号输出接口，所述方波信号输出接口与高精度脉冲延时控制器相连接，用于将脉冲延时信号输出给后续外部信号放大机构，实现对脉冲延时的控制；

25、复位等控制接口，所述复位等控制接口与高精度脉冲延时控制器相连接，用于通过所述方波信号输出接口接收外部mcu控制指令，从而实现对脉冲延时的控制。

26、优选地，所述高精度脉冲延时控制器包括：

27、控制芯片，所述控制芯片为数字可编程延迟发生器，提供输入脉冲的可编程时间延迟，执行发射、接收和延时脉冲信号的功能；

28、装置本体，所述装置本体装置主体上设置有脉冲发射端口tp3、复位端口tp2和脉冲接收端口tp1，连接所述控制芯片。

29、优选地，所述装置主体上复位端口tp2与按钮开关k1相连，负责手动状态下装置复位。

30、优选地，所述控制芯片上设置有两组电位开关，在延时控制器无法自动获得延迟信号时进行手动控制所用，分别负责延时设定值手动输入及寄存器控制线。

31、优选地，所述控制芯片通过d0-d7端口与流量测量主机等外部mcu进行通讯，用于接收脉冲输出延时指令。

32、为了将本上述方法与装置应用实际中，本发明还提供了一种应用渡越时间测量精度检测装置的系统，其特征在于，包括：

33、流量测量主机，所述流量测试主体设置于集成电器柜内，所述流量测量主机为超声波流量测量的核心，负责所有声道渡越时间测量和流量计算；

34、集成电气柜，所述流量测量主机设置于集成电气柜内，用于对流量测量主机进行供电；

35、渡越时间测量精度检测装置，所述渡越时间测量精度检测装置嵌入到所述流量测量主机的超声波激励信号发射控制电路中，所述流量测量主机通过输入和输出接口与渡越时间测量精度检测装置进行连接和通信，所述渡越时间测量精度检测装置用于精确控制渡越时间的测量值；

36、介质流量测量管道，所述介质流量测量管道包含待测试超声波流量计的所有超声波探头，并按照相应的声道布置要求进行探头部署，所述介质流量测量管道通过输入和输出接口与流量测量主机进行连接和通信。

37、作为上述技术方案的进一步改进：

38、优选地，所述介质流量测量管道包括声路超声波接收探头与声路超声波发射探头。

39、优选地，所述流量测量主机内包括依次连接的收发切换模块、声路顺序切换模块、回波接收模块、回波放大模块、时间测量模块、mcu模块、方波脉冲发生模块、逻辑缓冲器/同向器模块、渡越时间测量精度检测装置、mos管1级放大模块、中周升压变压器2级放大模块、声路顺序切换模块、收发切换模块。

40、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

41、1、本发明提出的方法只需要计算渡越时间相对变化量，不需要考虑声路传输的各级传输延时的绝对值是多少，也不用考虑信号传输过程中的波形变化的影响，测量方法简单，测试可操作行好。

42、2、本发明提出的装置可以作为一个集成模块嵌入到超声波流量计的测量电路中，工作流程与流量测量主机电路控制逻辑同步，也可以作为一个独立模块通过输入输出接口与超声波流量计的测量电路连接并通信。流量测量主机利用本装置可以进行某个声道的单独正程或者单独逆程测量进行延时控制，也可以对所有声道正程及逆程测量都进行延时控制。