[发明专利]一种高精度时差式超声波流量计及其流量测量方法

说明书

技术领域

本发明属于流量测量设备技术领域，涉及一种流量计，尤其是一种利用高精度计时电路和经过高精度热力学方程式修正流量、适用于各种流体输运及贸易计量的超声波流量计及其流量测量方法。

背景技术

超声波流量计相对于其他流量计而言，具有非接触测量，对管路基本无干扰，可以双向测量，零压损，量程比大，无可动部件，易维修等优点，因而近年来被视为最有发展前景的流量计。超声波流量计作为一种体积流量计，其测得流量需要进行四个步骤来实现：

1)超声波探头向管道内部流体中发射声波，启动计时，在一定时间之后接收超声波信号。

2)对接收到的模拟信号进行放大滤波处理，判定声波到达时刻，结束计时，得到各声路上下游声波传播时间。

3)计算每声路当地流速值，由积分函数取得截面平均流速，进而求得体积流量。

4)根据测得的温度压力计算流体密度值，将体积流量转化为质量流量。

现有技术中存在如下缺点：

(1)作为超声波流量计的核心部分，计时电路的精度直接决定了流量计性能的高低，现有的计时电路多利用晶振计时搭配FPGA或者CPLD电路来实现，分立元件多，电路复杂且测试分辨率仅为5-10纳秒(ns)，并不能满足超声波流量测量所需的较高测时分辨率(0.1ns)要求。

(2)超声波流量计属体积流量计，在某些情况下需要利用密度值将体积流量转化为质量流量。在热工领域，可通过将测得的压力及温度值代入热力学状态方程式中求解流体密度。热力学状态方程式的精度直接决定了密度值的准确度。目前超声波流量计的研究开发都集中在声学探头和计时电路上，而忽视了流体热物性状态方程在流量计量中的重要性，造成非标准工况下流体质量流量的计量有较大误差。

(3)传统超声波流量计为同一声路两个探头共用发射与接收电路，测量时通过切换电路分别发射与接收，采集的正向与逆向传播时间之间有延时，并不能准确跟踪流速变化。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种新型高精度时差式超声波流量计及其流量测量方法，该种流量计采用双声道超声波进行测量，并且采用计时芯片开发计时电路，使计时更加精确，并且本发明能实现测温功能，不必再单独设计测温电路，其不仅结构简单、使用方便，而且测量精度高。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种高精度时差式超声波流量计，包括流量计管段，所述流量计管段上设有形成第一声道的第一探头、第二探头、第一短管和第二短管，以及形成第二声道的第三探头、第四探头、第三短管和第四短管；所述第一探头和第二探头分别通过螺纹安装在流量计管段上焊接的第一短管和第二短管上；所述第三探头和第四探头分别通过螺纹安装在流量计管段上焊接的第三短管和第四短管上；所述第一声道和第二声道平行交叉布置在流量计管段上，且分别与流量计管段的管轴线成相等夹角θ。

以上第一至第四探头与各自独立的发射电路和接收电路相连，且所有探头实现同步发射及接收超声波信号。

上述探头的发射电路和接收电路分别连接至各自的计时电路，所述计时电路由计时芯片、微处理器、光耦电路、比较器和晶振组成，所述计时芯片经光耦电路以及信号调理电路连接至比较器，所述计时芯片还与用以提供基准时钟的晶振以及控制计时流程的微处理器连接。

上述计时电路输入端还连接有温度传感器。

上述超声波流量计还包括有以太网及USB接口，多台流量计通过网络通信可监测与控制管网的流量。

基于以上所述的超声波流量计，本发明还提出一种流量测量方法，具体包括以下步骤：

1)计时芯片内置脉冲发生器发射出多个连续脉冲，同时启动计数器；

2)脉冲信号经光耦隔离及前置放大后同步驱动第一、二声道上的四个探头，第一探头与第二探头、第三探头与第四探头相互发射超声波信号；

3)在经过设定的时间窗口之后，接收电路打开，同步开始接受同一声道另外探头发射的超声波信号；

4)接受的超声波信号在经过带通滤波及后置放大处理后送至比较器，进行过零检测，判断信号到达时刻后停止计时，得到每个声路的顺流及逆流传播时间；

5)对所测得的时间值进行诊断，如果有错误，则放弃本次测得时间值，并重新测量；

6)微处理器利用测得的有效时间值根据公式(1)计算每声道当地流速u_i，并对各声道流速按照积分权重w_i求和，得到截面平均流速U，乘以截面面积A，再经流量修正系数K修正，进而得到体积流量Q_v；