专利名称：一种超声波流量测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明创造一种测量工具，具体涉及ー种超声波流量測量装置及其測量方法。
背景技术：
超声波用于流量的測量已有将近百年的历史了。根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分为传播速度差法(即直接时差法、时差法、相位差法、频差法)、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。其中时差法超声波流量计具有以下几个特点:①可使用环境广泛，即流速在毎秒几到几十厘米的、管径在I到几米的环境下都可以使用对介质几乎无要求，可以测液体、气体的流量，測量准确度几乎不受被测流体压カ、密度、粘度等參数的影响安装方便、测试操作简单对被测流体影响小。综上所述时差法超声波流量计被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。
一般来说，超声波流量计为了达到不超过整机1%的測量指标，测量的时间差需达到纳秒级，而在测量低流速提示则要求更高，因此需测量的总量程越大，则测量精度越低，如传统的透过式传播速度差法超声波流量计采用双射头循环发射方式。专利(200710066737.3)公开了ー种用于超声波流量计时差交叉检测方法，为了克服測量量程较大、精确度较低的问题，采用发射器发射信号一段时间后才打开信号接收机，通过延时的方式来缩短需要测得的总行程，以达到提高测量精度的目的。由于上述測量方法中的正向传播时间和逆向传播时间是分时实现的，因此容易出现因延时而导致产生误差的问题。为了简化測量方法，降低对发射电压的要求，同时减小由延时带来的测量误差，专利(200820038526.9)公开了同步收发时差式超声波流量计，该技术方案采用正逆向换能器同时发射超声波信号，经一定延时后同时打开信号接收机，利用互相关技术对接收到的信号进行处理，一次性得到正向传播时间和逆向传播时间，若遇到流速很慢时，则误差明显较大。针对流速很慢的情况虽有解决措施，但是使得測量方法变的复杂化了。上述两个专利公开的技术方案专利(200710066737.3)和专利(200820038526.9)，由于均采用互相关法计算测量时间差使得測量成本较高。上述两个专利公开的技术方案均采用测量正向传播时间和逆向传播时间以及采用延时的方式来缩短测量的总量程，以提高測量精度，因此时间测量的准确度将直接影响流量计的测量精度。专利(200910181630.2)公开了ー种提高时差式超声波流量计精度的方法，该技术方案里可以提高流量计的测量精度，但是由于采用的计数方法比较难实现，如需达到測量标准则需要IOOOg大小的容量，因此不能被广泛采用。
发明创造内容本发明创造的目的是提供一种超声波流量測量装置及其測量方法，通过改变传统的双射循环发射模式以及传统的计时模块，使在缩短测量总量程的同时精准计算时差，较大的增加了测量的精确度。本发明创造的具体技术方案如下:一种超声波流量測量装置，包括分别在管外上游和下游安装的超声波换能器，由探头发射接收及采集处理模块控制换能器驱动模块实现超声波换能器的开启和关闭，从超声波换能器发出的信号经信号调理模块传送到探头发射接收及采集处理模块，探头发射接收及采集处理模块分别控制时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块的充放电动作，时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块经由模拟多路开关、信号放大电路、A/D转换模块将充放电信号反馈给控制器，由控制器控制探头发射接收及采集处理模块的运行。所述时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块的内部均包括控制开关1、充电參考电源、压控电流源和控制开关II，上述部件顺次连接并与探头发射接收及采集处理模块构成充放电信号的控制回路，充电电容并联在控制开关II的两端。上述超声波流量測量装置的測量方法，包括以下步骤:
(I)首先控制器向探头发射接收及采集处理模块发出ー个开始测量的信号，同时向探头发射接收及采集处理模块发出控制信号使时间差采集模块中的充电电容放电至电荷量为零，使顺流传播时间采集模块和逆流传播时间采集模块中的充电电容开始充电；
(2 )与步骤(I)同时进行的，探头发射接收及采集处理模块控制换能器驱动模块使超声波换能器同时发射超声波；
(3)超声波换能器先接收到顺流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块、信号调理模块及探头发射接收及采集处理模块处理后控制时间差采集模块中的充电电容开始充电，同时顺流传播时间采集模块中的充电电容停止充电，通过顺流传播时间采集模块中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到顺流传播时间n' ；
(4)一段时间之后，超声波换能器接收到逆流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块、信号调理模块及探头发射接收及采集处理模块处理后控制时间差采集模块中的充电电容停止充电，同时逆流传播时间采集模块中的充电电容停止充电，通过逆流传播时间采集模块中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到逆流传播时间T2' ；
(5)測量时间差采集模块中充电电容的电压，通过电压和充电时间成正比计算得出充电时间，即顺流传播时间和逆流传播时间的时间差At ;
(6)设两个换能器的水平间距为d，超声波在声楔中的入射角为a，在静水条件下，超声波在静止流体中的速度为C，流体的平均速度为V，超声波在被测流体中的顺流传播时间Tl和逆流传播时间T2，则有
权利要求
1.一种超声波流量測量装置，其特征在于:包括分别在管外(I)上游和下游安装的超声波换能器(2、3)，由探头发射接收及采集处理模块(8)控制换能器驱动模块(4、5)实现超声波换能器(2、3)的开启和关闭，从超声波换能器(2、3)发出的信号经信号调理模块(6、7)传送到探头发射接收及采集处理模块(8)，探头发射接收及采集处理模块(8)分别控制时间差采集模块(13)、顺流传播时间采集模块(14)及逆流传播时间采集模块(15)的充放电动作，时间差采集模块(13)、顺流传播时间采集模块(14)及逆流传播时间采集模块(15)经由模拟多路开关(2)、信号放大电路(11)、A/D转换模块(10)将充放电信号反馈给控制器(9)，由控制器(9)控制探头发射接收及采集处理模块(8)的运行。
2.按权利要求1所述的ー种超声波流量測量装置，其特征在于:所述时间差采集模块(13)、顺流传播时间采集模块(14)及逆流传播时间采集模块(15)的内部均包括控制开关I(16)、充电參考电源(17)、压控电流源(18)和控制开关II (20)，上述部件顺次连接并与探头发射接收及采集处理模块(8)构成充放电信号的控制回路，充电电容(19)并联在控制开关II (20)的两端。
3.一种如权利要求1所述超声波流量測量装置的測量方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)首先控制器(9)向探头发射接收及采集处理模块(8)发出ー个开始测量的信号，同时向探头发射接收及采集处理模块(8)发出控制信号使时间差采集模块(13)中的充电电容放电至电荷量为零，使顺流传播时间采集模块(14)和逆流传播时间采集模块(15)中的充电电容开始充电； (2)与步骤(I)同时进行的，探头发射接收及采集处理模块(8)控制换能器驱动模块(4,5)使超声波换能 器(2、3)同时发射超声波； (3)超声波换能器(2)先接收到顺流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块(4)、信号调理模块(6 )及探头发射接收及采集处理模块(8 )处理后控制时间差采集模块(13 )中的充电电容开始充电，同时顺流传播时间采集模块(14)中的充电电容停止充电，通过顺流传播时间采集模块(14)中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到顺流传播时间TT ； (4)一段时间之后，超声波换能器(3)接收到逆流传播的超声波，该信号在经换能器驱动模块(5)、信号调理模块(5)及探头发射接收及采集处理模块(8)处理后控制时间差采集模块(13)中的充电电容停止充电，同时逆流传播时间采集模块(15)中的充电电容停止充电，通过逆流传播时间采集模块(14 )中充电电容的电压计算得出电容充电时间，进而得到逆流传播时间T2' ； (5)测量时间差采集模块(13)中充电电容的电压，通过电压和充电时间成正比计算得出充电时间，即顺流传播时间和逆流传播时间的时间差At ; (6)设两个换能器的水平间距为d，超声波在声楔中的入射角力在静水条件下，超声波在静止流体中的速度为C，流体的平均速度为V，超声波在被测流体中的顺流传播时间Tl和逆流传播时间T2，则有
全文摘要
本发明创造提供一种超声波流量测量装置及其测量方法，通过改变传统的双射循环发射模式以及传统的计时模块，使在缩短测量总量程的同时精准计算时差，较大的增加了测量的精确度。该超声波流量测量装置由探头发射接收及采集处理模块控制换能器驱动模块实现超声波换能器的开启和关闭，从超声波换能器发出的信号经信号调理模块传送到探头发射接收及采集处理模块，探头发射接收及采集处理模块分别控制时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块的充放电动作，时间差采集模块、顺流传播时间采集模块及逆流传播时间采集模块经由模拟多路开关、信号放大电路、A/D转换模块将充放电信号反馈给控制器。
文档编号G01F1/66GK103090916SQ201310056338
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月22日 优先权日2013年2月22日
发明者方宇昌, 陈亮, 郑微, 周德阳 申请人:呼和浩特市睿城科技有限责任公司