一种超声波流量测量方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种超声波流量测量方法及装置，其特征在于，包括以下步骤：S101：测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φ

An ultrasonic flow measurement method and device

【技术实现步骤摘要】
一种超声波流量测量方法及装置
本专利技术涉及超声波
，特别是涉及一种超声波流量测量方法及装置。
技术介绍
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，Matthijssen和VanPut为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，由于工业生产的原因，超声波探头存在不一致的问题，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，管壁中声波传播的能量远小于管道内流体中声波传播能量，典型应用就是航空航天小管径，如图1所示，图中具有两个超声波探头1，分别设置在声波传播通道2的一侧，L为声波传播通道2的长度，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。最近，Yang提出了一种基于连续波体系的流量测量方法，然而该方法只适用于不存在模糊数的情况，流量测量范围受到了限制。为了得到较大的测量范围，基于连续波与脉冲波体系的技术由Folkestad提出，该方法把脉冲波切入到连续波中，通过检测脉冲波(而不是连续波)进行流量检测。因为该方法检测的是脉冲波而非连续波，因此超声波探头频率不一致性的问题就没有得到解决。对于脉冲波的测量方法，探头(同一批生产的探头也会存在该情况)的不一致性将引起脉冲响应的不同，外界环境的变化加剧了探头的频谱响应不一致性，从而导致无法避免的测量误差。另一方面，脉冲波体系下的较低的能量转换使得声波信号的SNR较低，从而增大了流量的测量误差。连续波体系较好地解决了脉冲波体系的困难，但是也带来了测量模糊的问题。现有技术中提出的基于侧音(多个频率的声波)方式的连续波测量方法，较好地解决了测量模糊的问题，然而所需要的侧音个数较多，增加了系统的复杂度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种超声波流量测量方法及装置。本专利技术主要解决的技术问题是如何高效快速地实现小管径管道(直径15mm以下应用情况，工业应用有航空航天，石油传输，精密仪器，城市供水系统终端)流动的连续超声波流量测量。为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种超声波流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S101：测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φfrac_d与逆流相位差Φfrac_u；S102：进行顺流测量或逆流测量，利用同一频率，在发射端只发射若干个周期的信号，接收端经过延时后得到相应的延时信号；S103：计算所述顺流测量时的延时估计值ts、所述逆流测量时的延时估计值tu；S104：根据所述步骤S103计算得到的ts、tu，求取得到顺流模糊数Intd以及逆流模糊数Intu；S105：根据所述步骤S104得到的顺流模糊数Intd以及逆流模糊数Intu，求取顺流整体相位和逆流整体相位。进一步地，所述步骤S101中采用连续波的方法测量所述顺流相位差与所述逆流相位差。进一步地，所述步骤S102中，所述发射端发射的信号最大周期数Nmax满足：Nmax＜L/fC，其中，L为流量计中管道长度；C为声波在静止流体中的传播速度；f为侧音频率。进一步地，所述步骤S102中，所述若干个周期为10～50。进一步地，利用延时估计算法计算所述顺流测量时的延时估计值ts、所述逆流测量时的延时估计值tu。进一步地，所述步骤S104中：通过以下公式计算所述顺流模糊数Intd：Intd＝[td·f]0.5；通过以下公式计算所述逆流模糊数Intu；Intu＝[tu·f]0.5；上述公式中，f为侧音频率。进一步地，所述步骤S105中，根据以下公式求取所述顺流整体相位Φd：Φd＝Intd×360+Φfrac_d；根据以下公式求取所述逆流整体相位Φu：Φu＝Intu×360+Φfrac_u。另外，本专利技术还提供了一种超声波流量测量装置，其特征在于，包括：相位差测量模块：用于测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φfrac_d与逆流相位差Φfrac_u；超声波探测模块，所述超声波探头包括发射端和接收端，所述发射端用于利用同一频率只发射若干个周期的信号，所述接收端用于接收经过延时后得到相应的延时信号；延时估计值计算模块，用于计算顺流测量时的延时估计值ts、逆流测量时的延时估计值tu；模糊数求取模块，用于根据所述延时估计值计算模块计算得到的ts、tu，求取得到顺流模糊数Intd以及逆流模糊数Intu；整体相位求取模块，用于根据所述模糊数求取模块得到的顺流模糊数Intd以及逆流模糊数Intu，求取顺流整体相位和逆流整体相位。进一步地，所述发射端发射的信号最大周期数Nmax满足：Nmax＜L/fC，其中，L为流量计中管道长度；C为声波在静止流体中的传播速度；f为侧音频率。进一步地，所述模糊数求取模块通过以下公式计算所述顺流模糊数Intd：Intd＝[td·f]0.5；通过以下公式计算逆流模糊数Intu；Intu＝[tu·f]0.5；上述公式中，f为侧音频率。进一步地，所述整体相位求取模块根据以下公式求取所述顺流整体相位Φd：Φd＝Intd×360+Φfrac_d；根据以下公式求取所述逆流整体相位Φu：Φu＝Intu×360+Φfrac_u。本专利技术有益效果在于：相较于现有技术中基于侧音方式的连续波测量方法需要采用多个频率的声波，本专利技术仅用一个频率声波就能实现在保证测量范围的同时，利用连续波方法获得高精度测量，使得测量更加便捷，缩短了测量的反应时间。在脉冲波中，本专利技术利用多周期连续波激励，使得接收端的信号呈现出连续波的情况，避免了传统脉冲波测量中探头频率不一致的问题。另外，本专利技术利用多周期脉冲波体制获得快速获得模糊数，从而保证了测量范围，并且同时利用连续波方法获得高精度测量。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。图1为本专利技术中的连续波典型应用场景图；图2为本专利技术中的声波顺流传播示意图；图3为本专利技术中一种超声波流量测量方法的流程图；图4a为本专利技术中的顺流情况下20个周期1MHz的发射端信号示意图；图4b为本专利技术中的顺流情况下20个周期1MHz的接受端信号示意图；图5为本专利技术中的顺流中接收与发射信号的互相关结果图；图6为本专利技术中的一种超声波流量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超声波流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS101：测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φ

【技术特征摘要】
1.一种超声波流量测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：测量顺流相位差与逆流相位差，获得顺流相位差Φfrac_d与逆流相位差Φfrac_u；
S102：进行顺流测量或逆流测量，利用同一频率，在发射端只发射若干个周期的信号，接收端经过延时后得到相应的延时信号；
S103：计算所述顺流测量时的延时估计值ts、所述逆流测量时的延时估计值tu；
S104：根据所述步骤S103计算得到的ts、tu，求取得到顺流模糊数Intd以及逆流模糊数Intu；
S105：根据所述步骤S104得到的顺流模糊数Intd以及逆流模糊数Intu，求取顺流整体相位和逆流整体相位。


2.根据权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，所述步骤S101中采用连续波的方法测量所述顺流相位差与所述逆流相位差。


3.根据权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，所述步骤S102中，所述发射端发射的信号最大周期数Nmax满足：
Nmax＜L/fC，
其中，L为流量计中管道长度；C为声波在静止流体中的传播速度；f为侧音频率。


4.根据权利要求3所述的超声波流量测量方法，其特征在于，所述步骤S102中，所述若干个周期为10～50。


5.根据权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，利用延时估计算法计算所述顺流测量时的延时估计值ts、所述逆流测量时的延时估计值tu。


6.根据权利要求1所述的超声波流量测量方法，其特征在于，所述步骤S104中：
通过以下公式计算所述顺流模糊数Intd：
Intd＝[td·f]0.5；
通过以下公式计算所述逆流模糊数Intu；
Intu＝[tu·f]0.5；
上述公式中，f为侧音频率。


7.根据权利要求1～6任一项所述的超声波流量测量方法，其特征在于，所述步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈勇，张若凡，尹政龙，张翔，吴宗谕，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43