[发明专利]基于侧音测相的超声波流量测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及超声波流量测量领域，特别地，涉及一种基于侧音测相的超声波流量测量方法及装置。

背景技术

超声波流量计利用管道流动中声波顺逆流传播的显著区别，通过处理声波信号获得管道平均流速信息，进而预测管道流动流量。超声波流量计具有不侵入被测流体、无运动部件、不影响流体流动等优势，从而广泛应用于各种工业领域。在航空航天领域，欧空局开发了一款用于空间管道测量的基于脉冲波体系的超声波流量计，并作为载荷已搭载于欧空局2013年7月发射的Alphabus通信卫星上。

在脉冲波体系下，能量经过换能器的带通滤波而有了较大的衰减。因此，接收信号的信噪比(SNR)会较低，从而使得对传播时间的测量较为困难。此外，由于工业生产，超声波探头存在不一致，从而使得共振频率不一致并且随着外界环境的改变而变化。探头共振频率的不一致性将导致明显的测量误差。对于连续波体系，连续声波的能量可以较大。探头在连续波体系下属于受迫振动，从而不存在频率不一致问题。现有基于连续波体系的流量测量方法只适用于不存在模糊数的情况，测量范围受到了限制。为了得到较大的测量范围，有人提出基于连续波与脉冲波体系的技术，然而该方法中的频率不一致性也没有得到解决。

现有技术中的基于侧音测量的连续波流量测量方法，利用不同侧音的相位解决了测量模糊数的问题，理论上扩大了连续波体系的流量测量范围。然而该方法对顺流与逆流的传播时间独立解模糊，导致测量过程中需要多个侧音，系统设计较为复杂，降低了流量计的响应速度。因此，亟需提供一种能减少侧音个数从而提高流量计的响应速度的基于侧音测相的超声波流量测量方法及装置。

发明内容

本发明提供了一种基于侧音测相的超声波流量测量方法及装置，以解决现有采用基于侧音测相的超声波流量测量方法及装置需要多个侧音个数导致流量计响应速度慢的技术问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于侧音测相的超声波流量测量方法，包括：

根据流体流量估算值求取超声波在流体中沿逆流方向传播相位变化值与沿顺流方向传播相位变化值的差值不超过180°的最小侧音频率；

基于最小侧音频率选择至少一组侧音频率；

根据每一组侧音频率下超声波在流体中沿逆流方向传播相位变化值与沿顺流方向传播相位变化值的测量相位差值求取与该组侧音频率对应的实际相位差值；

根据任一组侧音频率以及与该组侧音频率对应的实际相位差值计算流体流量。

进一步地，基于最小侧音频率选择至少一组侧音频率包括：

选择不超过最小侧音频率的侧音频率作为第一组侧音频率，将预先设定的大于最小侧音频率的最大设定侧音频率作为最大组侧音频率；

根据超声波相位测量绝对误差确定相邻组侧音频率之间的递进倍数；

根据相邻组侧音频率之间的递进倍数确定第一组侧音频率与最大组侧音频率之间的其他组侧音频率。

进一步地，，相邻组侧音频率之间的递进倍数满足：

其中K(f_i,f_i+1)代表第i组与第i+1组侧音频率之间的递进倍数(i≥1)，δ代表超声波相位测量绝对误差。

进一步地，根据每一组侧音频率下超声波在流体中沿逆流方向传播相位变化值与沿顺流方向传播相位变化值的测量相位差值求取与该组侧音频率对应的实际相位差值的计算公式为：

其中，ΔΦ(f_i+1)代表第i+1组侧音频率下的实际相位差值(i≥1)，K(f_i,f_i+1)代表第i组与第i+1组侧音频率之间的递进倍数，ΔΦ^frac(f_i)代表第i组侧音频率下超声波在流体中沿逆流方向传播相位变化值与沿顺流方向传播相位变化值的测量相位差值，[X]_0.5代表对X进行四舍五入运算，且满足ΔΦ(f₁)＝ΔΦ^frac(f₁)。

进一步地，根据任一组侧音频率以及与该组侧音频率对应的实际相位差值计算流体流量中用于计算流体流量的任一组侧音频率等于最大组侧音频率。

根据本发明的另一方面，还提供了一种侧音测相的超声波流量测量装置，包括：

最小侧音频率确定装置，用于根据流体流量估算值求取超声波在流体中沿逆流方向传播相位变化值与沿顺流方向传播相位变化值的差值不超过180°的最小侧音频率；