基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法和裝置制造方法
【專利摘要】基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法和裝置。本發(fā)明提供的在測(cè)量管設(shè)置有第一超聲波換能器、第二超聲波換能器、第三超聲波換能器和第四超聲波換能器，所述第一聲波換能器、第二超聲波換能器、第三超聲波換能器、第四超聲波換能器分別通過相應(yīng)的第一連接管、第二連接管、第三連接管和第四連接管設(shè)置于測(cè)量管，所述第一連接管和第二連接管共線垂直于管道軸向方向設(shè)置，所述第三連接管和第四連接管共線并與軸向方向成θ角設(shè)置；本發(fā)明消除超聲波傳播速度、環(huán)境噪聲和電磁干擾、電路和元件的時(shí)延等因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，極大簡(jiǎn)化接收信號(hào)的判決和信號(hào)處理的復(fù)雜程度，解決了接收端無法精確的判決超聲波接收信號(hào)的問題，使超聲波氣體流量計(jì)得到更廣泛的應(yīng)用。
【專利說明】基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法和裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及氣體流量檢測(cè)領(lǐng)域，尤其設(shè)及基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方 法和裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 超聲波流量測(cè)量技術(shù)是一種利用超聲波信號(hào)在流體中傳播時(shí)流體的流速信息來 測(cè)量流體測(cè)量的測(cè)量技術(shù)，它具有非接觸式測(cè)量、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍寬、安裝維護(hù)方便 等特點(diǎn)。根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，目前超聲波流量檢測(cè)裝置大致可分為時(shí)差法、頻差法、波 束偏移法、多普勒法等類型，其中應(yīng)用最廣泛的是基于時(shí)差法的流量檢測(cè)裝置。
[0003] 目前國(guó)內(nèi)的時(shí)差法的超聲波流量檢測(cè)技術(shù)有很多，比如寧波大學(xué)的"一種時(shí)差法 超聲流量計(jì)靜態(tài)漂移抑制模型及抑制方法"公開了一種時(shí)差法超聲波流量計(jì)，該超聲波流 量計(jì)包括測(cè)量管，在測(cè)量管的管段上沿測(cè)量管軸向、且呈對(duì)射結(jié)構(gòu)布置有兩個(gè)收發(fā)一體、且 相互交替地對(duì)應(yīng)作為發(fā)射元件和接收元件的兩個(gè)超聲波換能器，測(cè)量順流傳播時(shí)間和逆流 傳播時(shí)間，計(jì)算出管道流速的方法。該方法采用動(dòng)態(tài)硬件闊值、過零比較相結(jié)合的脈沖計(jì)數(shù) 法提高接收端判決接收波形的準(zhǔn)確度，但是沒能從原理和方法上解決接收端無法精確的判 決超聲波接收信號(hào)的問題，慣性時(shí)延、環(huán)境噪聲和電磁干擾問題也沒能解決。鄭州光力科技 股份有限公司申請(qǐng)的"一種時(shí)差法超聲波流量檢測(cè)方法及裝置"發(fā)明專利對(duì)公開了一種時(shí) 差法超聲波流量檢測(cè)方法及裝置，該方法中使待測(cè)氣體在流過測(cè)量管的布置有超聲波換能 器組的管段時(shí)自由擴(kuò)散到靜速管中，在靜速管中測(cè)出超聲波傳播速度，代入計(jì)算，可W-定 程度上減少超聲波傳播速度的影響，靜速管和真實(shí)氣體流動(dòng)環(huán)境中的超聲波傳播速度還是 有一定差異；同時(shí)接收端無法精確的判決超聲波接收信號(hào)的問題沒能得到解決，慣性時(shí)延、 環(huán)境噪聲和電磁干擾問題也沒能解決。北京理工大學(xué)申請(qǐng)的"一種用于超聲波流量計(jì)的絕 對(duì)傳播時(shí)間測(cè)量方法"發(fā)明專利公開了一種用于超聲波流量計(jì)的絕對(duì)傳播時(shí)間測(cè)量方法， 在V型排布下?lián)Q能器1和換能器2的正對(duì)側(cè)正中設(shè)置一個(gè)換能器3,換能器1發(fā)時(shí)，2、3同 時(shí)接收，相對(duì)時(shí)間差就是換能器2到3的傳播時(shí)間，反之換能器2發(fā)，1、3同時(shí)接收就測(cè)出 來順流和逆流的傳播時(shí)間。采用了 V型反射的方式將絕對(duì)傳播時(shí)間測(cè)量轉(zhuǎn)換為了相對(duì)傳播 時(shí)間，解決了接收端信號(hào)無法精確的判決超聲波接收信號(hào)的問題和電路上的時(shí)延問題；但 是3只換能器安裝不能對(duì)射，新增了超聲波反射和斜射的問題；同時(shí)反射信號(hào)不能解決環(huán) 境噪聲和電磁福射的干擾問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法和裝置，用W解 決上述問題。
[0005] 本發(fā)明提供的一種基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法，包括如下步驟
[0006] a.在測(cè)量管設(shè)置有第一超聲波換能器、第二超聲波換能器、第=超聲波換能器和 第四超聲波換能器，所述第一聲波換能器、第二超聲波換能器、第=超聲波換能器、第四超 聲波換能器分別通過相應(yīng)的第一連接管、第二連接管、第=連接管和第四連接管設(shè)置于測(cè) 量管，將所述第一超聲波換能器和第二超聲波換能器作為一對(duì)，所述第一連接管和第二連 接管共線垂直于管道軸向方向設(shè)置，所述第=超聲波換能器和第四超聲波換能器作為一 對(duì)，所述第=連接管和第四連接管共線并與軸向方向成0角設(shè)置，其中0° <0 <180°，且 目聲90。；
[0007] b.將所述第一超聲波換能器和第=超聲波換能器作為發(fā)射端，同時(shí)發(fā)射相同波 形，所述第二超聲波換能器和第四超聲波換能器作為接收端接收到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的波形， 并測(cè)出達(dá)到的時(shí)差；
[000引 C.改變步驟b中所有超聲波換能器的收發(fā)狀態(tài)，將第二超聲波換能器和第四超聲 波換能器作為發(fā)射端，同時(shí)發(fā)射相同波形，第一超聲波換能器和第=超聲波換能器作為接 收端接收到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的波形，并測(cè)出達(dá)到的時(shí)差；
[0009] d.利用步驟b和步驟C的檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算氣體流量。
[0010] 進(jìn)一步，所述步驟d包括
[0011] dl.將步驟b中檢測(cè)的時(shí)差作為順流時(shí)差，將步驟C中的時(shí)差作為逆流時(shí)差；
[0012] d2.利用順流時(shí)差和逆流時(shí)差建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算測(cè)量管中的氣體流速；
[0013] d3.根據(jù)氣體流速結(jié)合測(cè)量管管道的橫截面積計(jì)算氣體流量。
[0014] 進(jìn)一步，利用如下公式計(jì)算步驟dl中所述的順流時(shí)差 L 公
[0015] -----= ^1 C + VXOS0 C
[0016] 其中，D為管道的直徑，C為超聲波在管道內(nèi)的傳播速度，0為超聲波由第S超聲 波換能器傳遞向第四超聲波換能器傳播的方向與管道內(nèi)氣體流速方向的夾角，V為氣體流 動(dòng)的速度，L為第S超聲波換能器和第四超聲波換能器的中屯、線長(zhǎng)度，ti為順流時(shí)差；
[0017] 進(jìn)一步，利用如下公式計(jì)算步驟dl中所述的逆流時(shí)差 L D
[001 引 -----=(2 C - VCOS0 C
[0019] 其中，D為管道的直徑，C為超聲波在管道內(nèi)的傳播速度，0為超聲波由第S超聲 波換能器傳遞向第四超聲波換能器傳播的方向與管道內(nèi)氣體流速方向的夾角，V為氣體流 動(dòng)的速度，L為第S超聲波換能器和第四超聲波換能器的中屯、線長(zhǎng)度，t,為逆流時(shí)差；
[0020] 進(jìn)一步，所述最大互相關(guān)檢測(cè)法利用如下公式獲取氣體流量
[0021]

【權(quán)利要求】
1. 一種基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法，其特征在于：包括如下步驟 a. 在測(cè)量管設(shè)置有第一超聲波換能器、第二超聲波換能器、第三超聲波換能器和第 四超聲波換能器，所述第一聲波換能器、第二超聲波換能器、第三超聲波換能器、第四超聲 波換能器分別通過相應(yīng)的第一連接管、第二連接管、第三連接管和第四連接管設(shè)置于測(cè)量 管，將所述第一超聲波換能器和第二超聲波換能器作為一對(duì)，所述第一連接管和第二連接 管共線垂直于管道軸向方向設(shè)置，所述第三超聲波換能器和第四超聲波換能器作為一對(duì)， 所述第三連接管和第四連接管共線并與軸向方向成0角設(shè)置，其中〇°〈0〈180°，且 9 乒 90° ; b. 將所述第一超聲波換能器和第三超聲波換能器作為發(fā)射端，同時(shí)發(fā)射相同波形，所 述第二超聲波換能器和第四超聲波換能器作為接收端接收到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的波形，并測(cè)出 達(dá)到的時(shí)差； c. 改變步驟b中所有超聲波換能器的收發(fā)狀態(tài)，將第二超聲波換能器和第四超聲波換 能器作為發(fā)射端，同時(shí)發(fā)射相同波形，第一超聲波換能器和第三超聲波換能器作為接收端 接收到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的波形，并測(cè)出達(dá)到的時(shí)差； d. 利用步驟b和步驟c的檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算氣體流量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法，其特征在于：所 述步驟d包括 dl.將步驟b中檢測(cè)的時(shí)差作為順流時(shí)差，將步驟c中的時(shí)差作為逆流時(shí)差； d2.利用順流時(shí)差和逆流時(shí)差建立數(shù)學(xué)模型，計(jì)算測(cè)量管中的氣體流速； d3.根據(jù)氣體流速結(jié)合測(cè)量管管道的橫截面積計(jì)算氣體流量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法，其特征在于：利 用如下公式計(jì)算步驟dl中所述的順流時(shí)差
其中，D為管道的直徑，c為超聲波在管道內(nèi)的傳播速度，0為超聲波由第三超聲波換 能器傳遞向第四超聲波換能器傳播的方向與管道內(nèi)氣體流速方向的夾角，V為氣體流動(dòng)的 速度，L為第三超聲波換能器和第四超聲波換能器的中心線長(zhǎng)度，h為順流時(shí)差。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法，其特征在于：利 用如下公式計(jì)算步驟dl中所述的逆流時(shí)差
其中，D為管道的直徑，c為超聲波在管道內(nèi)的傳播速度，0為超聲波由第三超聲波換 能器傳遞向第四超聲波換能器傳播的方向與管道內(nèi)氣體流速方向的夾角，V為氣體流動(dòng)的 速度，L為第三超聲波換能器和第四超聲波換能器的中心線長(zhǎng)度，t2為逆流時(shí)差。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法，其特征在于：利 用如下公式獲取氣體流量
其中，S為管道橫截面的面積，Kh為流量修正系數(shù)，L為第三超聲波換能器和第四超聲 波換能器的中心距，M和N為臨時(shí)中間變量，0為超聲波由第三超聲波換能器傳遞向第四 超聲波換能器傳播的方向與管道內(nèi)氣體流速方向的夾角，V為氣體流動(dòng)的速度，^為順流時(shí) 差，t2為逆流時(shí)差。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一權(quán)利要求所述的基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)方法， 其特征在于：所述第一超聲波換能器、第二超聲波換能器、第三超聲波換能器和第四超聲波 換能器為收發(fā)一體的換能器，其中第一超聲波換能器和第二超聲波換能器結(jié)構(gòu)相同，第三 超聲波換能器和第四超聲波換能器結(jié)構(gòu)相同。
7. -種基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)裝置，其特征在于：包括測(cè)量管、超聲波 換能器和連接管，所述超聲波換能器通過連接管與測(cè)量管連接。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)裝置，其特征在于：所 述超聲波換能器包括第一超聲波換能器、第二超聲波換能器、第三超聲波換能器和第四超 聲波換能器，所述第一聲波換能器、第二超聲波換能器、第三超聲波換能器、第四超聲波換 能器分別通過相應(yīng)的第一連接管、第二連接管、第三連接管和第四連接管設(shè)置于測(cè)量管，所 述第一連接管和第二連接管垂直于管道軸向方向設(shè)置，所述第三連接管和第四連接管與軸 向方向成9角設(shè)置，其中〇°〈9〈180°，且0乒90°。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)裝置，其特征在于：所 述第一連接管和第二連接管共線設(shè)置于測(cè)量管，所述第三連接管和第四連接管共線設(shè)置于 測(cè)量管。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量的檢測(cè)裝置，其特征在于：所 述第一超聲波換能器、第二超聲波換能器、第三超聲波換能器和第四超聲波換能器為收發(fā) 一體的換能器，其中第一超聲波換能器和第二超聲波換能器結(jié)構(gòu)相同，第三超聲波換能器 和第四超聲波換能器結(jié)構(gòu)相同。
【文檔編號(hào)】G01F1/66GK104501889SQ201510035156
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2015年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2015年1月23日
【發(fā)明者】柏思忠, 于慶, 王璇, 李濤, 路萍, 王祖迅, 胡超, 蔡巍巍, 羅前剛, 譚飛, 秦泰, 鄭芳菲 申請(qǐng)人:中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司