一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型及抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型及抑制方法，该抑制模型包括放大滤波电路、第一比较器、具有锁存功能的第二比较器、第三比较器、计数器、反相器及逻辑与运算单元，优点在于利用第一比较器和具有锁存功能的第二比较器进行硬件阈值比较，利用第三比较器进行过零比较，通过硬件阈值比较和过零比较相结合的方式，能够很好的解决由于超声波信号的电压幅值变化而导致超声波信号到达时刻错判的问题，准确地获得超声波信号到达的时刻，从而可准确测得顺流时间和逆流时间，大大减小了静态漂移，同时本发明专利技术通过脉冲计数的方式可以排除测到的错误数据，极大地提高了时差法超声流量计的计量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种时差法超声流量计测量技术，尤其是涉及一种时差法超声流量计 静态漂移抑制模型及抑制方法。
技术介绍
超声流量计可以实现非接触、高精度测量，具有量程宽、无压损、组成简单、灵敏度 高等优点，在石油化工、污水处理、工业及生活用水等领域有着广泛的应用前景。超声流量计发展至今，已经有多种测量方式，按测量原理可以分为传播速度差法、 多普勒效应法、波束偏移法等。时差法是超声流量计传播速度差法中的一种测量方式，与其 他测量方式相比，其具有测量方式简单和计量精度高等优点，所以其一直备受关注。将以时差法测量方式进行测量的超声流量计称为时差法超声流量计，图1给出了 时差法超声流量计的测量电路框图，该测量电路包括微控制器、计时芯片、驱动电路模块、 接收电路模块、切换开关、存储电路、第一超声波换能器和第二超声波换能器，驱动电路模 块主要由脉冲信号产生电路、信号调理电路和换能器驱动电路组成，接收电路模块主要由 信号接收电路和信号整形电路组成，切换开关具有第一端口、第二端口、第三端口和第四端 口四个端口，微控制器分别与存储电路、计时芯片、切换开关及脉冲信号产生电路相连接， 计时芯片与信号整形电路连接，换能器驱动电路与切换开关的第一端口连接，信号接收电 路与切换开关的第三端口连接，第一超声换能器与切换开关的第二端口连接，第二超声换 能器与切换开关的第四端口连接。第一超声波换能器和第二超声波换能器既可以发射超声 波信号，又可以接收超声波信号，第一超声波换能器和第二超声波换能器对超声波信号的 发射或接收由切换开关来控制，切换开关由微处理器控制，但同一时间段内第一超声波换 能器和第二超声波换能器处于两种不同的状态，即当第一超声波换能器处于发射状态时， 第二超声波换能器则应处于接收状态，此时切换开关的第一端口与第二端口相连，即换能 器驱动电路与第一超声波换能器相连，第三端口与第四端口相连，即信号接收电路与第二 超声波换能器连接；当第二超声波换能器处于发射状态时，第一超声波换能器则应处于接 收状态，此时切换开关的第一端口与第四端口相连，即换能器驱动电路与第二超声波换能 器连接，切换开关的第二端口与第三端口相连，即信号接收电路与第一超声波换能器相连; 微控制器用于控制切换开关的各个端口之间的连接、控制脉冲信号产生电路输出驱动脉冲 信号、读取计时芯片内的计数值及完成数值的计算并将该计数值存储至存储电路中。假设 图1所示的测量电路在某时间段内第一超声波换能器处于发射状态而第二超声波换能器 处于接收状态，微控制器控制切换开关的第一端口与第一超声波换能器连接，同时控制切 换开关的第三端口与第二超声波换能器连接，此时微控制器、脉冲信号产生电路、信号调理 电路、换能器驱动电路、切换开关的第一端口与第二端口、第一超声波换能器、第二超声波 换能器、切换开关的第三端口与第四端口、信号接收电路、信号整形电路构成一个通路，微 控制器控制脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号，脉冲信号产生电路将驱动脉冲信号传输 给信号调理电路，同时微控制器控制计时芯片开始计时，信号调理电路对产生的驱动脉冲信号进行滤波整形处理得到幅值与频率与换能器相匹配驱动信号传输给换能器驱动电路， 微处理器控制切换开关将匹配驱动信号通过切换开关的第一端口和第二端口传输给第一 超声波换能器，第一超声波换能器产生超声波信号，超声波信号在管道中传播，第二超能波 换能器接收到的超声波信号比较微弱，该超声波信号中夹杂着较多的干扰信号，第二超声 波换能器将夹杂有干扰信号的超声波信号通过切换开关的第三端口和第四端口传输给信 号接收电路，信号接收电路对含有干扰信号的超声波信号进行放大、滤波处理，信号整形电 路对超声波信号进行整形处理得到脉冲信号，微控制器控制计时芯片计时结束，微控制器 从计时芯片中读取顺、逆流时间并计算得到时间差，最终得到瞬时流量，最后对得到瞬时流 量序列进行平滑滤波，最终得到准确的瞬时流量，并通过存储电路存储到存储器中。 图1中si和s2分别表示第一超声波换能器和第二超声波换能器；V表示流体 介质的流速；C表示超声波信号在流体介质中的声速；α表示流体介质的流速方向和超 声波信号的传播方向的夹角，当α为锐角时，称之为顺流，当α为钝角时，称之为逆流； D表示管道的直径；θ表示超声波信号进入流体介质的入射角；tl表示si作为发射超 声波换能器、s2作为接收超声波换能器时，超声波信号在管道中的传播时间，即顺流时 间；t2表示s2作为发射超声波换能器、si作为接收超声波换能器时，超声波信号在管道 中的传播时间，即逆流时间。其工作原理为超声波信号在流体介质(即动态介质)中， 与静态介质(流速为零)相比，顺流时超声波信号的传播速度增加，传播时间减小，逆流 时超声波信号的传播速度减小，传播时间增加，从而使得顺逆流方向超声波信号的传播时 间存在时间差。时差法超声流量计就是根据流体介质的流速与时间差存在线性关系原 理进行测量的，因此只要准确测定顺流时间和逆流时间，根据流体介质的流速与顺流时间 和逆流时间的线性关系，可以求出流体介质的流速，进而可以求出瞬时流量。记时间差、，krr , D/cos^ DIcosB 2DV\axi0 _ , , DIcosO为 ΔΤ，ΔΓ 二 — =---= ^——5~5—，其中=-+ τ,C-VsmO C + VsinO C2-V2 sin2 θC + Fsin6>t2= ^/C°S& +Τ, τ表示 声波信号在-声波换能 硬件 路中白勺0 _ΜΜ。 超声波信号在常见的流体介质中的声速要大于1000m/S，而这些常见的流体介质的流速 通常小于lOm/s，即C2 >> V2，因此可得到Δ7^2￡)^^Γ，从而可得到流体介质的流速V^ C2 AT 。i己瞬时流量为 Q,Q = f(AT) = —xSxV = —x—V = ^c' χΔΓ，其中，K表示流体介质的流速分布修正系数，S表示管道的截面积。 理论上，在流体介质静止的情况下(即流体介质的流速为Om/s)，时差法超声流量 计测量的顺流时间tl和逆流时间t2应该相等，时间差AT应该为O。但是由于采用的两个 超声波换能器的灵敏度、机电耦合等参数不可能完全相同，静态情况下ΔΤ—般在一个范围内变化，根据ρ = ==去=可知静态下的瞬时流量Q应在一个范围内波动。超声流量计对流动的流体介质的测量，在此称之为动态计量，动态 瞬时流量记作Qd。假设时差法超声流量计要满足分界流量为qt，且精度为1%，则在静态情 况下时间差Δ T必须满足I ΔΤ| < ξ，ξ为一个精度阈值参数(由分界流量和精度决定)， 所以静态瞬时流量Qs满足IqsI彡δ, δ = ·(ξ)。当静态瞬时流量Qs不满足IQsI彡δ时，在此称这种状况为静态漂移。静态漂移问题一直是时差法超声流量计精度提升的瓶颈，静态漂移与超声波信号 准确判断密切相关，超声流量计测量的工业现场环境复杂，接收到的超声波信号比较小，易 受干扰，另外流体介质中的固体颗粒及电磁波极易使接收到的超声波信号幅值发生变化， 导致测量不准确和计量精度下降，因此解决静态漂移的基本方法是准确的判断超声波信号 的到达时刻，即得到准确的顺流时间和逆流时间，进而得到准确的时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种时差法超声流量计静态漂移抑制模型，其特征在于包括放大滤波电路、第一比较器、具有锁存功能的第二比较器、第三比较器、计数器、反相器及逻辑与运算单元，所述的第一比较器具有Ｑ１输出端和Ｑ１非输出端，所述的第二比较器具有Ｑ２输出端和Ｑ２非输出端，所述的第三比较器具有Ｑ３输出端和Ｑ３非输出端，所述的放大滤波电路的输入端与接收超声波换能器相连接，所述的放大滤波电路对接收超声波换能器接收到的超声波信号进行放大滤波处理，所述的放大滤波电路的输出端输出放大滤波后的超声波信号，所述的第一比较器的同相输入端和所述的第二比较器的同相输入端均与所述的放大滤波电路的输出端相连接，接入放大滤波后的超声波信号，所述的第一比较器的反相输入端和所述的第二比较器的反相输入端均接入硬件阈值，所述的第一比较器的Ｑ１输出端与所述的计数器的输入端相连接，所述的计数器累计所述的第一比较器的Ｑ１输出端输出的脉冲序列的脉冲个数，所述的计数器的输出端输出脉冲个数，所述的第二比较器的Ｑ２非输出端与所述的反相器的输入端相连接，所述的反相器的输出端与所述的第二比较器的ＬＥ引脚相连接，所述的第二比较器的Ｑ２输出端输出锁存信号，所述的第三比较器的反相输入端与所述的放大滤波电路的输出端相连接，接入放大滤波后的超声波信号，所述的第三比较器的同相输入端接地，所述的第二比较器的Ｑ２输出端与所述的第三比较器的Ｑ３输出端分别与所述的逻辑与运算单元的输入端相连接，所述的逻辑与运算单元的输出端输出用于作为判断超声波信号到达的标志的停止信号，所述的逻辑与运算单元的输出端与时差法超声流量计测量电路中的计时芯片相连接，所述的计时芯片自时差法超声流量计测量电路中的微控制器控制脉冲信号产生电路输出驱动脉冲信号时开始计时，所述的计时芯片自接收到停止信号后停止计时，所述的计数器与所述的计时芯片分别与所述的微控制器相连接。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王让定，姚灵，朱莹，杜呈透，段允，陈昌根，王亚华，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：97[中国|宁波]