[发明专利]一种用于超声波流量计的绝对传播时间测量方法

说明书

技术领域

本发明属于超声流量测量技术领域，特别涉及一种用于超声波流量计的采用三个换能器和改进的最小误差平方和算法来测量绝对传播时间的方法。

背景技术

超声波技术应用于流量测量主要依据是：当超声波入射到流体后，在流体中传播的超声波就会载有流体流速的信息。超声波流量计对信号的发生、传播及检测有着各种不同的设置方法，从而构成了不同原理的超声流量计，其大致可分为传播速度差法(包括：时差法、相位差法、频差法)，多普勒法，相关法、波束偏移法，等等。

时差式超声波流量计是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间以及二者之差来计算流速，进而求得流量的。计算流速的公式中最重要的两个参数是绝对传播时间和相对传播时间。

相对传播时间是指：顺流传播时间和逆流传播时间的时差。计算相对传播时间不能将顺流传播时间与逆流传播时间做减法，应利用顺流时换能器接收的波形和逆流时换能器接收的波形，采用互相关方法、最小误差平方和方法等算法来计算这两组相似波形的时差，误差波动范围在1ns以内。其中，最小误差平方和方法精度要高于互相关方法，但计算速度略逊一筹。

绝对传播时间是指：发射器发射超声波到达接收器的时间。测量时一般都是用两个传感器协同作用，换能器在管道外侧不同的排布方式，有Z型、V型、N型、W型。不论哪种排布方式，两个传感器的缺点都是，接收器无法精确的得到超声波回波信号，因此在计算绝对传播时间上效率不高。计算绝对传播时间的普遍方法是计数法。发射器发射超声波的同时，接收器开始计数，当接收器端的采样信号高于所设的门限值时，认为已经接收到超声波信号，停止计数，传播时间等于计数值乘以采样周期。这种方法的缺点在于门限值需根据经验设定，且计数值为整数，如果采样周期为40ns，则误差在正负40ns之间，范围较大，不精确，需要采用新的方法提高绝对传播时间的求取精度。

发明内容

为了解决测量绝对传播时间精度较低的问题，本发明提出了一种利用3个换能器测量顺流逆流传播时间的方法，不需要计时模块和设置门限值，相当于将绝对时间测量转换为相对时间测量，从而降低了误差，提高了测量精度。

进一步地，本发明还利用一种将互相关方法与最小误差平方和方法结合起来的改进的最小误差平方和方法，计算相对传播时间，从而实现了提高绝对传播时间精度的目的，并可以在不影响精度的情况下减少计算时间。

现有技术中为了提高测量精度增加声程，从而产生了换能器在管道外侧不同的排布方式，有Z型、V型、N型、W型。本发明建立在V型排布的基础之上。

本发明在V型排布下换能器1和换能器2的正对侧正中多加一个换能器3。设换能器1和换能器2之间的距离为L，则换能器3距换能器1和换能器2的横向距离均为L/2。换能器1和换能器2轮流工作在发射和接收的状态，换能器3只工作在接收状态，即换能器1发射超声波信号，换能器2和换能器3同时接收信号，此时换能器2和换能器3接收到的信号均为顺流状态下的信号；换能器2发射超声波信号，换能器1和换能器3同时接收信号，此时换能器1和换能器3接收到的信号均为逆流状态下的信号。

对于顺流情况，换能器1发射超声波信号，换能器2和3均为接收器，换能器1发射的超声波信号首先被换能器3接收，随即反射后又被换能器2接收，因此这两个接收信号相关度会很高。利用求相对传播时间时的方法，如互相关法等来求取换能器3接收的信号和换能器2接收的信号之间的差值，其计算结果就是超声波信号从换能器3传播到换能器2的时间，相当于求取了换能器2和换能器3按照Z型排布情况下的顺流传播时间。

逆流情况下同理可求超声波信号从换能器3到换能器1的时间：换能器2发射超声波信号，此时两个接收器即换能器1和换能器3接收信号；同样，采用求取相对传播时间的方式求取两个接收器所接收的信号的差值，其计算结果就是超声波信号从换能器3传播到换能器1的时间，相当于获得了换能器1和换能器3按照Z型排布情况下的逆流传播时间。

由于求取这两个传播时间的信号通过的声路不同，因此必须保证换能器3距离换能器2和换能器1的横向距离相等，即确保声程相等。另外，求取相对传播时间的方法与传统方法相似，只利用换能器1和换能器2，但是要将最后的时差除以2，说明结果为换能器3到换能器1或者换能器3到换能器2的相对传播时间。

有益效果

1、本发明提出了一种利用3个换能器测量顺流逆流传播时间的方法，不需要计时模块，而且能够消除电路时间延迟带来的精度问题，从而实现了提高绝对传播时间精度的目的。