一种超声波燃气表的互相关流速计算方法技术

本发明专利技术提供了一种超声波燃气表的互相关流速计算方法，包括：S1、设：M1、M2为超声波换能器，V为气体流速，X为两超声波换能器之间超声波走过流体的垂直距离，θ为超声波进入气体的入射角，t1顺流时间，t2逆流时间，C为超声波在管道内的传播速度；S2、计算超声波行走的有效声程长度L，有效声程长度L等于该超声波燃气表的互相关流速计算方法解决现有技术中管道内流体流速计算不准确的问题。管道内流体流速计算不准确的问题。管道内流体流速计算不准确的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种超声波燃气表的互相关流速计算方法


[0001]本专利技术涉及超声波燃气表，具体涉及一种超声波燃气表的互相关流速计算方法。

技术介绍

[0002]当前，采用超声波技术计量燃气成为燃气计量最主要的发展方向，当前主流超声波燃气表采用阈值过零检测法获得飞行时间和时间差。
[0003]超声波在燃气介质中顺流方向和逆流方向的时间差与燃气的平均流速成正比，通过计算超声波的传播时间差与传播距离的关系计算得到燃气流速，由流速与声道在燃气表管道截面积的乘积即可获得到燃气的流量。超声波燃气表的工作原理示意图如图1所示。
[0004]超声波燃气表中顺流和逆流传播时间与各量之间的关系：
[0005][0006][0007]式中：
[0008]t
down
(t
AB
)——超声波在燃气中顺流传播的时间，s；
[0009]t
up
(t
BA
)——超声波在燃气中逆流传播的时间，s；
[0010]L——声道长度，m；
[0011]c
f
——声波在燃气中传播的速度，m/s；
[0012]v
m
——燃气的平均速度，m/s；
[0013]φ——声道角，
°
。
[0014]根据公式1和公式2可推算出燃气的平均速度为：
[0015][0016]公式3为当前超声波燃气表的通用算法，消除了声速的影响，然而上式有一个隐含的条件，就是声道长度等于端面距离，这在管道设计中是难于实现的。同时受限于超声传感器的配对一致性，以及燃气组分不同，超声信号强弱在实时发生变化。这种方法即使采用了信号动态增益、干扰滤波以及时间窗口、动态阈值等系列算法，仍然不能不能解决温度变化造成的传感器零点漂移，传感器信号一致性造成的跨周期等问题(如下图)，同时目前还出现了采用同频脉动流干扰超声波燃气表的情况。
[0017]如图2所示，空气包络都是增益以前的信号图，增益后燃气包就是增益以后的信号图，采用阈值过零法获得时间差，由于信号变化和干扰，出现了可能增益后最大值出现的地方不会超过阈值，从而导致出现跨周期(波)计算时间周期的情况出现，极有可能计算出来的时间周期包括了多个周期。

技术实现思路

[0018]本专利技术要提供一种超声波燃气表的互相关流速计算方法，解决现有技术中管道内流体流速计算不准确的问题。
[0019]为实现上述目的，本专利技术采用了如下的技术方案：
[0020]本专利技术公开了一种超声波燃气表的互相关流速计算方法，包括以下步骤：S1、设：M1、M2为超声波换能器，V为气体流速，X为两超声波换能器之间超声波走过流体的垂直距离，θ为超声波进入气体的入射角，t1顺流时间，t2逆流时间，C为超声波在管道内的传播速度；S2、计算超声波行走的有效声程长度L，有效声程长度L等于S3、超声燃气表顺流时间t1和逆流时间t2分别用下式计算：分别用下式计算：S4、将公式4和公式5分别变形得到公式6以及公式7，公式6以及公式7如下：以及公式7如下：S5、将公式6和公式7相加得到公式8，公式8如下：S5、将公式6和公式7相加得到公式8，公式8如下：S6、将公式8变形得到公式9，公式9如下：8变形得到公式9，公式9如下：S7、利用若干对顺流时间t1和逆流时间t2的采样值，得到若干个C值，将所有C值求平均得到真实超声波传播速度S8、设顺流时间t1和逆流时间t2之间的时间差为ΔT，将公式4与公式5相减得到下列算式：S9、由公式10得到下列方程式：sin2θΔT
·
V2+2X tanθ
·
V
‑
C2ΔT＝0(公式11)；S10、由公式11求解得到管道内流体流速V，计算公式如下：
[0021]优选的是，设D为管道内直径，R为管道内半径；当两超声波换能器超声波在管道两对侧时，当超声波换能器不从管道内壁凸出时，X＝D，即是当超声波换能器从管道内壁凸出时，X等于两超声波换能器端面中心之间的垂直距离；当两超声波换能器超声波在管道同侧时且超声波路径为V型时，当超声波换能器不从管道内壁凸出时，X＝2D，即是当超声波换能器从管道内壁凸出时，设一超声波换能器端面中心到对面侧管道内壁的距离为L1，另一超声波换能器端面中心到对面侧管
道内壁的距离为L2，则X＝L1+L2；当两超声波换能器超声波在管道同侧时且超声波路径为W型时，当超声波换能器不从管道内壁凸出时，X＝4D，即是当超声波换能器从管道内壁凸出时，设一超声波换能器端面中心到对面侧管道内壁的距离为L3，另一超声波换能器端面中心到对面侧管道内壁的距离为L5，中部两条路径距离为L4，L4＝2D,则X＝L3+L4+2D。
[0022]优选的是，顺流时间t1和逆流时间t2的计算方式如下：S11、接收顺流超声波信号和逆流超声波信号；S12、采用激励信号对顺流超声波信号和逆流超声波信号进行激励，得到激励后超声波信号；S121、将顺流超声波信号和逆流超声波信号分为中心信号段、首端信号段和末端信号段，分段时将顺流超声波信号和逆流超声波信号在时域上按照比例分为三段，三段即分别为中心信号段、首端信号段和末端信号段；S122、对首端信号段或末端信号段进行降低式变频激励，得到变频后端部信号段；S123、将变频后端部信号段与原信号段按照原位置组合得到激励后超声波信号，原信号段为中心信号段与未变频的首端信号段，或者中心信号段与未变频的末端信号段；S13、通过判断激励后超声波信号，有效回波个数；S14、通过有效回波段，获得顺流时间t1和逆流时间t2。
[0023]相比于现有技术，本专利技术具有如下有益效果：
[0024]1)采用变频激励包络互相关法获得飞行时间和时间差，从而彻底杜绝传感器在各种应用环境下信号不一致造成的周期跨越问题，获得稳定的飞行时间和精确的时间差；
[0025]2)采用一元二次方程求根公式算法获得流速的计算方法。从而避免了管道的复杂设计、以及流速加大造成的计算误差，同时降低了单片机的要求。
[0026]3)采用多频激励调整传感器最快响应时间，解决了传感器在单频激励下由于温度变化造成的响应速度、频率变化的不一致性，解决了传感器的温漂。
[0027]4)采用变周期驱动算法降低人为脉动流干扰。
[0028]本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0029]图1为现有技术中超声波燃气表中通过时差法计算流速的原理图；
[0030]图2为现有技术中计算飞行顺流时间t1和逆流时间t2的原理图；
[0031]图3为本申请中两超声波换能器位于管道两对侧时超声波燃气表的互相关流速计算方法的原理图；
[0032]图4为本申请中两超声波换能器时且发射路径为V型时超声波燃气表的互相关流速计算方法的原理图；
[0033]图5为本申请中两超声波换能器时且发射路径为W型时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超声波燃气表的互相关流速计算方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、设：M1、M2为超声波换能器，V为气体流速，X为两超声波换能器之间在垂直于流体方向的位移距离，θ为超声波进入气体的入射角，t1顺流时间，t2逆流时间，C为超声波在管道内的传播速度；S2、计算超声波行走的有效声程长度L，有效声程长度L等于S3、超声燃气表顺流时间t1和逆流时间t2分别用下式计算：分别用下式计算：S4、将公式4和公式5分别变形得到公式6以及公式7，公式6以及公式7如下：S4、将公式4和公式5分别变形得到公式6以及公式7，公式6以及公式7如下：S5、将公式6和公式7相加得到公式8，公式8如下：S6、将公式8变形得到公式9，公式9如下：S7、利用若干对顺流时间t1和逆流时间t2的采样值，得到若干个C值，将所有C值求平均得到真实超声波传播速度S8、设顺流时间t1和逆流时间t2之间的时间差为ΔT，将公式4与公式5相减得到下列算式：S9、由公式10得到下列方程式：sin2θΔT
·
V2+2X tanθ
·
V
‑
C2ΔT＝0
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(公式11)S10、由公式11求解得到管道内流体流速V，计算公式如下：2.根据权利要求1所述的一种超声波燃气表的互相关流速计算方法，其特征在于，设D为管道内直径，R为管道内半径；当两超声波换能器超声波在管道两对侧时，当超声波换能器不从管道内壁凸出时，X＝
D，即是当超声波换能器从管道内壁凸出时，X等于两超声波换能器端面中心之...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈海林，黄青龙，
申请(专利权)人：重庆信驰传感技术有限公司，
类型：发明
国别省市：