[发明专利]一种基于相位差的超声波流速测量方法

说明书

本发明公开了一种基于相位差的超声波流速测量方法，采用脉冲组交替的顺流和逆流方向脉冲组信号作为超声波信号由顺流方向超声波发射传感器、逆流方向超声波发射传感器发送出去，然后由顺流以及逆流方向超声波传感器分别接收，分别放大滤波、方波转换，并与各自对于的脉冲组信号进行相位差比较，得到顺流相位差信号和逆流相位差信号，分别测量不流动以及流动时的顺流相位差信号和逆流相位差信号的脉冲宽度，依据本发明的的流体流速公式，得到流体流速。本发明考虑了不流动、流动时的脉冲宽度，并做差，这样可以抵消存在的系统误差，从而提高了流体流速测量的准确度。同时，采用交替的脉冲组信号实现了流速的实时测量的同时避免了对顺流逆流相位差测量的影响。

技术领域

本发明属于超声波流速测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于相位差的超声波流速测量方法。

背景技术

流量连同压力、温度是公认的现代工业检测三大标准参数，人们依靠这些参数对生产流程进行控制和监督，以实现生产流程的自动化。流量同时作为天然气、石油、水资源、燃气等重要资源的结算方式，其准确可靠性是提高生产效率和实现经济效益的重要保障。

流量测量可以依靠都流速的测量进行，多依靠超声波进行检测，其原理有传播速度差法(时间差法、相位差法、频率差法)、多普勒法、互相关法、波束偏移法等。其中，传播速度差法是利用超声波传播速度叠加其传播路径上的流场线速度，测量超声波经过流体的传播时间，再通过数学方法便可提取出流场中对应的流速信息。

图1是传播速度差法流速测量原理图。

如图1所示，S为超声波发射传感器，R为超声波接收传感器，l(m)为超声波传播距离，θ(°)为传播路径与水平线夹角，d(m)为管道内直径，v(m/s)为管道内流体流速，c(m/s)为当前环境下的声传播速度。

可知，超声波信号从S到R的顺流传播时间t_up为：

则，管道内流体流速为：

因此，根据传播速度差法的基本原理，只需测量出超声波的绝对传播时间，(如超声波信号从S到R的顺流传播时间t_up)，便可得到流体流速(根据公式(2))。

对于其具体实现，根据实际测量的表征时间的信号不同，传播速度差法由主要分为三种方法：时差法、相位差法、频差法。

对绝对传播时间t如公式(1)中的顺流传播时间t_up进行直接测量称为时差法，而相位差法直接测量的是激励信号与接收信号之间的相位差通过建立相位差与绝对传播时间的关系，得到对应流速。相对于时差法，相位差法的待测脉冲受流速影响小，且更适合测量小的时间变化。

图2是时差法流速测量信号与相位差法流速测量信号关系图。

图2展示了绝对传播时间t与相位差以及相位差脉冲宽度t′的关系，其中T为超声波信号的周期，相位差与相位差脉冲宽度t′的关系为：

为了便于说明绝对传播时间t与相位差两者的关系，在本实施例中，如图2所示，将相位差标记在接收回波信号的起始点处，但在实际测量时，为了得到更加稳定的相位差信号，应当选择接收回波信号波形稳定处的相位差。