一种基于相对位移的超声时间溯源方法技术

本发明专利技术提供一种基于相对位移的超声时间溯源方法，属于流量计量领域。主要以标准长度作为参考值，实现超声流量校准中时间量溯源。所述时间量包含传播时间和时间差。将超声流量校准过程中时间量的范围，换算成在静水中传播的声道长度范围，在该长度范围内，由位移实验装置带动改变超声波传播的声道长度，并将标准长度装置的测量值作为参考值换算成标准时间量，通过对比测量值和标准值实现时间量的溯源。本发明专利技术适用于流量计量领域，可作为管道流量校准能力保障。量校准能力保障。量校准能力保障。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相对位移的超声时间溯源方法


[0001]本专利技术属于流量计量领域，针对超声流量测量、校准中的时间量值，以标准长度为参考值，提供一种基于相对位移的时间溯源方法。

技术介绍

[0002]管道流量计广泛应用于引水调水、城市供水供热、化工等工业领域，其测量的准确性对结算有着重要意义。流量计的准确性需要通过校准来保障。超声测流装置具有安装方便、测量准确度高等优势，是现场流量校准中常用的方法。
[0003]超声测流是通过各声道高度上相对的超声探头所获流速的合理积分，获得流量的一种测量方法。这种测量方法具有作为标准，为现场流量测量装置提供校准的能力。其误差来源主要包括超声传感器安装和测量的几何量(流量声道长度、流量声道角度)精度，时间量(传播时间、时间差)测量的准确度，以及积分模型的准确度。其中，流速是由几何量和时间量共同合成的。传播时间指的是超声波在水中传播所需要的时间，是通过超声探头记录波形，并根据优选合适的波形算法获得的，常用的算法有阈值法、波形法、包络法，以及相位法等。时间差指的是上下游传播时间的差，也可以通过互相关算法对上下游的超声波形直接进行求解。流量Q的计算公式如式(1)所示。其中，v
i
为每个声道的平均流速，ω
i
为每个声道的权重系数，R为管道半径，L
i
为每个声道的长度，为每个声道的角度，t
u,d
和t
d,u
分别代表上下游探头测量的传播时间，Δt
i
为每个声道的时间差。
[0004][0005]本专利技术的设计思想是，在静水条件下，通过可以调节并准确测量长度的位移实验平台，以精密长度测量装置的测量值作为参考值，在静水中测量，模拟超声测流时的传播时间和时间差，实现从测量时间到长度的溯源过程。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的问题是，超声管道流量校准中的时间量值溯源。采用超声法校准流量时，不需要将被检流量计拆下，只需在现场管道中留有探头安装位置，流量的标准值取决于探头安装的几何参数、积分模型和时间量(包括传播时间和时间差)的测量，是具有分别溯源能力的。目前还缺乏有效的时间量溯源方法，本专利技术所提及的方法将有助于补充溯源链条的完整性。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0008]一种基于位移装置的超声时间溯源方法，所述溯源方法是通过能够调节位移的装置改变超声波的传播距离，以标准长度作为参考值，对超声法流量校准中的时间量进行溯
源，所述时间量为传播时间或时间差，过程如图1所示，具体的：
[0009]对传播时间的溯源包括以下步骤：
[0010]第一步，记录流量校准中传播时间覆盖的范围，确定校准时选用的波形采样频率和时间算法，将校准时超声流量校准装置中使用的一个超声探头7带回实验室。
[0011]第二步，将第一步取回的超声探头7装配于可在水中调节长度的溯源实验平台上。
[0012]1)所述溯源实验平台具体结构如下：所述的可调节声道长度的溯源实验平台主要由位移实验平台、长度标准装置、声反射面5、水容器6、超声测量仪8、声速测量装置9构成。
[0013]所述声反射面5和超声探头7平行正对，两者之间的间距为声道，间距长度为声道长度l。所述声反射面5与超声探头7均浸入水容器6中；所述水容器6置于水平底面上，并位于位移平台4下方；声反射面5与超声探头7一方需固定，另一方由位移平台4带动，可沿声道方向做直线运动。其中，超声探头7发射的超声波沿声道方向传播，经声反射面5反射后沿原路返回，并被超声探头7接收，发射时间与通过时间算法获得超声波到达探头的时间的差值，即为被测的传播时间T1。
[0014]所述位移实验平台包括直导轨2和位移平台4，竖直导轨2方向与声道方向平行，位移平台4能够沿直导轨2移动，进而改变声道长度l(即声道长度l可以由位移平台4的带动而改变)。
[0015]所述长度标准装置包括下方激光干涉仪10和与激光干涉仪10配套的反射棱镜3，用于测量位移平台4与超声探头7之间的相对标准长度l
标
。其中，反射棱镜3与位移平台4连接，并可随着位移平台4移动，激光干涉仪10固定不动，并且激光干涉仪10与反射棱镜3之间的光路与声道方向平行。
[0016]所述声速测量装置9位于水容器6中，且置于声道附近，用于测量声道附近的声速c。
[0017]2)超声探头7与超声测量仪8连接，采用第一步确定的现场校准时的采样频率记录超声波，并采用第一步确定的现场校准中使用的算法计算传播时间T1。
[0018]所述声道长度l与被测传播时间T1之间的关系可以表征为：
[0019]T1＝2l/c
ꢀꢀꢀ
(2)
[0020]所述相对标准长度l
标
与声道长度l相差固定的系统偏差l0，l＝l
标
+l0。
[0021]第三步，测量超声波在声道方向上的传播时间T1。
[0022]1)系统偏差标定：在位移平台4处于静止状态时，标定系统偏差l0。在静止条件下进行一段时间的测量，记录传播时间、声速和相对标准长度，系统偏差l0为：
[0023]l0＝T
1静
c
静
/2-l
标静
ꢀꢀꢀ
(3)
[0024]其中，T
1静
为静止状态下传播时间的测量值、c
静
为静止状态下声速的测量值，l
标静
为静止状态下相对标准长度的测量值。
[0025]2)测量范围换算：根据第一步中记录的传播时间覆盖的范围，结合静止状态下的声速c
静
和式(2)，得到与传播时间范围对应的声道长度l的范围。
[0026]3)位移测量实验：通过位移实验平台调整声道长度l，并测量实时的传播时间T1和声速c。具体的：在第三步1)中所述声道的长度范围内，位移平台4自轨道一端到另一端进行往复实验，至少重复3次。通过长度标准装置记录实验过程中实时的相对标准长度l
标
，由超声测量仪8记录实验过程中实时的传播时间T1，由声速测量装置9记录实验过程中实时的声
速c。
[0027]第四步，根据声道长度l的测量值，计算标准传播时间T
1标
，进而完成传播时间的溯源。
[0028]1)通过实时的相对标准长度l
标
与固定的系统偏差l0相加得到实时的声道长度l。
[0029]2)通过实时的声道长度l和实时的声速c，根据式(2)可以得到标准的传播时间T
1标
。
[0030]3)溯源结果dT1为实时的传播时间T1与标准的传播时间T
1标
的差：
[0031]dT1＝T
1-T
1标
ꢀꢀꢀ
(4)
[0032]依照第二步到第四的过程，将超声流量校准装置中的超声探头7的传播时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于位移装置的超声时间溯源方法，其特征在于，所述溯源方法是通过能够调节位移的装置改变超声波的传播距离，以标准长度作为参考值，对超声法流量校准中的时间量进行溯源，所述时间量为传播时间，具体包括以下步骤：第一步，记录流量校准中传播时间覆盖的范围，确定校准时选用的波形采样频率和时间算法，将校准时超声流量校准装置中使用的一个超声探头(7)带回；第二步，将第一步取回的超声探头(7)装配于可在水中调节长度的溯源实验平台上；1)所述的可调节声道长度的溯源实验平台主要由位移实验平台、长度标准装置、声反射面(5)、水容器(6)、超声测量仪(8)、声速测量装置(9)构成，具体结构如下：所述声反射面(5)和超声探头(7)平行正对，两者间距长度为声道长度l；声反射面(5)与超声探头(7)均浸入水容器(6)中；水容器(6)位于位移平台(4)下方；声反射面(5)与超声探头(7)一方固定，另一方由位移平台(4)带动可沿声道方向做直线运动；其中，超声探头(7)发射的超声波沿声道方向传播，经声反射面(5)反射后沿原路返回，并被超声探头(7)接收，发射时间与通过时间算法获得超声波到达探头的时间的差值，即为被测的传播时间T1；所述位移实验平台包括直导轨(2)和位移平台(4)，竖直导轨(2)方向与声道方向平行，位移平台(4)能够沿直导轨(2)移动；所述长度标准装置包括下方激光干涉仪(10)和与激光干涉仪(10)配套的反射棱镜(3)，二者之间的光路与声道方向平行，长度标准装置用于测量位移平台(4)与超声探头(7)之间的相对标准长度l
标
；其中，反射棱镜(3)与位移平台(4)连接，并可随着位移平台(4)移动，激光干涉仪(10)固定不动；所述声速测量装置(9)位于水容器(6)中置于声道附近，用于测量声速c；2)超声探头(7)与超声测量仪(8)连接，采用第一步确定的现场校准时的采样频率记录超声波，并采用第一步确定的现场校准中使用的算法计算传播时间T1；所述声道长度l与被测传播时间T1之间的关系可以表征为：T1＝2l/c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)所述相对标准长度l
标
与声道长度l相差固定的系统偏差l0，l＝l
标
+l0；第三步，测量超声波在声道方向上的传播时间T1；1)系统偏差标定：在位移平台(4)处于静止状态时，标定系统偏差l0；在静止条件下进行测量，记录传播时间、声速和相对标准长度，系统偏差l0为：l0＝T
1静
c
静
/2-l
标静
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，T
1静
为静止状态下传播时间的测量值、c
静
为静止状态下声速的测量值，l
标静
为静止状态下相对标准长度的测量值；2)测量范围换算：根据第一步中记录的传播时间覆盖的范围，结合静止状态下的声速c
静
和式(2)，得到与传播时间范围对应的声道长度l的范围；3)位移测量实验：通过位移实验平台调整声道长度l，并测量实时的传播时间T1和声速c；具体的：在第三步1)中所述声道的长度范围内，位移平台(4)自轨道一端到另一端进行往复实验；通过长度标准装置记录实验过程中实时的相对标准长度l
标
，由超声测量仪(8)记录实验过程中实时的传播时间T1，由声速测量装置(9)记录实验过程中实时的声速c；第四步，根据声道长度l的测量值，计算标准传播时间T
1标
，进而完成传播时间的溯源；1)通过实时的相对标准长度l
标
与固定的系统偏差l0...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘源，胡鹤鸣，
申请(专利权)人：中国计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：