[发明专利]高精度时差式单脉冲超声波流量计系统及其测量流量方法

说明书

技术领域

本发明涉及流量测量设备技术领域，尤其涉及一种高精度时差式单脉冲超声波流量计系统及其测量流量方法。

背景技术

超声波流量计相对于机械式和电磁式流量仪表而言，具有对管径的适应性强、量程比大、无可动部件、非接触测量，零压力损失、易于维护等优点，被视为最有发展前景的流量计量设备，特别是近年来在供暖热计量中得到了广泛的应用。

超声波流量测量作为一种体积计量方法主要通过以下五个步骤进行：

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

2)对接收到的超声波信号进行预处理，判断声波到达时间，结束计时，得到声路上下游声波顺程传播时间。

3)重复1)、2)步，但原发射换能器变为接收换能器，接收换能器变为发射换能器，得到声路上下游声波逆程传播时间。

4)依据顺程和逆程的传播时间差值、测量时流体的温度，以及在该温度下声波在流体中的传播速度，计算出流体流速。

5)由测量管道面积，和测量温度压力下流体的密度值，计算出流体流量。

现有技术中存在如下缺点：

1)现有的超声波流量计采用多脉冲发射电路或高压窄带脉冲信号发生电路发射超声波。但多脉冲发射电路能量不集中，接收信号首波幅度较小，信噪比差，接收信号处理电路复杂、成本较高；而用高压窄带脉冲信号发射超声波时，换能器不能完全转换脉冲信号能量内部存在高次谐振即不能完全转换并发送出脉冲信号中的所有频率成分，导致换能器内部存在高频谐振，在接收信号时产生干扰，只能单独作为发射或接收用；而采取多声道布置方案进行正、反向时间差测量，使得器件增多，电路复杂，而且由于声道增多需要更多的布置空间，不适合小管径流速测量。

2)现有的超声波流量计采用FPGA或CPLD电路搭配晶振来计时，系统复杂且计时分辨率仅为5-10ns；或采用计时芯片TDC-GP2开发计时电路，虽然计时分辨率能达到65ps，但价格昂贵，占流量计成本比重大，不利于成本控制。另外，采用专用计时芯片进行时差时，流量计电路中的微处理控制芯片A/D功能闲置，芯片利用率较低。

发明内容

为解决上述中存在的问题与缺陷，本发明提供了一种高精度时差式单脉冲超声波流量计及其测量流量方法。该方法采用单周期正弦波超声换能器驱动电路，并且利用微处理芯片内部A/D转换模块开发时间测量电路，实现高精度计时功能，不仅测量精度高、结构简单易于实现，而且期间利用率高，成本相对较低易于控制。

所述技术方案如下：

高精度时差式单脉冲超声波流量计系统，所述流量计包括：MCU控制单元、单脉冲信号发射驱动单元、收发切换单元、超声波换能器组、超声波信号处理单元及鉴相积分单元，所述

MCU控制单元，用于发送控制信号到收发切换单元和单脉冲信号发射驱动单元，及

发送标准延时信号到鉴相积分单元和利用测得的超声波顺程传播时间和逆程传播时间计算得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差；

收发切换单元，选定超声波换能器，即选定逆程测量或顺程测量；

单脉冲信号发射驱动单元，用于产生单周期正弦波信号，并将信号发送到超声波换能器；

超声波换能器，包括发射换能器和接收换能器，用于超声波信号的发射和接收，并将超声波信号传送至超声波信号处理单元；

超声波信号处理单元，用于将超声波信号进行滤波放大，并通过零检测和阈值检测确定到达信号；

鉴相积分单元，用于将到达信号与所述标准延时信号进行比较，得到超声波顺程传播时间和逆程传播时间。

高精度时差式单脉冲超声波流量计系统的测量方法，所述方法包括：

发送控制信号到收发切换单元和单脉冲信号发射驱动单元，及

发送标准延时信号到鉴相积分单元和利用测得的超声波顺程传播时间和逆程传播时间计算得到超声波在流量计管道中逆程和顺程传播时差；

选定超声波换能器，即选定逆程测量或顺程测量；

产生单周期正弦波信号，并将信号发送到超声波换能器；

将超声波信号发送到超声波信号处理单元；

将超声波信号进行滤波放大，并通过零检测和阈值检测确定到达信号；

将到达信号与所述标准延时信号进行比较，得到超声波顺程传播时间和逆程传播时间，并根据超声波顺程传播时间和逆程传播时间之间的时差和和管道直径计算得到管道流体单位时间流量大小。

本发明提供的技术方案的有益效果是：