一種高精度時差式超聲波流量計及其流量測量方法
2023-11-07 03:40:27 3
專利名稱：一種高精度時差式超聲波流量計及其流量測量方法
技術領域：
本發明屬於流量測量設備技術領域，涉及一種流量計，尤其是一種利用高精度計時電路和經過高精度熱力學方程式修正流量、適用於各種流體輸運及貿易計量的超聲波流量計及其流量測量方法
背景技術：
超聲波流量計相對於其他流量計而言，具有非接觸測量，對管路基本無幹擾，可以雙向測量，零壓損，量程比大，無可動部件，易維修等優點，因而近年來被視為最有發展前景的流量計。超聲波流量計作為一種體積流量計，其測得流量需要進行四個步驟來實現1)超聲波探頭向管道內部流體中發射聲波，啟動計時，在一定時間之後接收超聲波信號。2)對接收到的模擬信號進行放大濾波處理，判定聲波到達時刻，結束計時，得到各聲路上下遊聲波傳播時間。3)計算每聲路當地流速值，由積分函數取得截面平均流速，進而求得體積流量。4)根據測得的溫度壓力計算流體密度值，將體積流量轉化為質量流量。現有技術中存在如下缺點(1)作為超聲波流量計的核心部分，計時電路的精度直接決定了流量計性能的高低，現有的計時電路多利用晶振計時搭配FPGA或者CPLD電路來實現，分立元件多，電路複雜且測試解析度僅為5-10納秒(ns)，並不能滿足超聲波流量測量所需的較高測時解析度 (0. Ins)要求。(2)超聲波流量計屬體積流量計，在某些情況下需要利用密度值將體積流量轉化為質量流量。在熱工領域，可通過將測得的壓力及溫度值代入熱力學狀態方程式中求解流體密度。熱力學狀態方程式的精度直接決定了密度值的準確度。目前超聲波流量計的研究開發都集中在聲學探頭和計時電路上，而忽視了流體熱物性狀態方程在流量計量中的重要性，造成非標準工況下流體質量流量的計量有較大誤差。(3)傳統超聲波流量計為同一聲路兩個探頭共用發射與接收電路，測量時通過切換電路分別發射與接收，採集的正向與逆向傳播時間之間有延時，並不能準確跟蹤流速變化。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種新型高精度時差式超聲波流量計及其流量測量方法，該種流量計採用雙聲道超聲波進行測量，並且採用計時晶片開發計時電路，使計時更加精確，並且本發明能實現測溫功能，不必再單獨設計測溫電路，其不僅結構簡單、使用方便，而且測量精度高。本發明的目的是通過以下技術方案來解決的這種高精度時差式超聲波流量計，包括流量計管段，所述流量計管段上設有形成第一聲道的第一探頭、第二探頭、第一短管和第二短管，以及形成第二聲道的第三探頭、第四探頭、第三短管和第四短管；所述第一探頭和第二探頭分別通過螺紋安裝在流量計管段上焊接的第一短管和第二短管上；所述第三探頭和第四探頭分別通過螺紋安裝在流量計管段上焊接的第三短管和第四短管上；所述第一聲道和第二聲道平行交叉布置在流量計管段上，且分別與流量計管段的管軸線成相等夾角Θ。以上第一至第四探頭與各自獨立的發射電路和接收電路相連，且所有探頭實現同步發射及接收超聲波信號。上述探頭的發射電路和接收電路分別連接至各自的計時電路，所述計時電路由計時晶片、微處理器、光耦電路、比較器和晶振組成，所述計時晶片經光耦電路以及信號調理電路連接至比較器，所述計時晶片還與用以提供基準時鐘的晶振以及控制計時流程的微處
理器連接。上述計時電路輸入端還連接有溫度傳感器。上述超聲波流量計還包括有乙太網及USB接口，多臺流量計通過網絡通信可監測與控制管網的流量。基於以上所述的超聲波流量計，本發明還提出一種流量測量方法，具體包括以下步驟1)計時晶片內置脈衝發生器發射出多個連續脈衝，同時啟動計數器；2)脈衝信號經光耦隔離及前置放大後同步驅動第一、二聲道上的四個探頭，第一探頭與第二探頭、第三探頭與第四探頭相互發射超聲波信號；3)在經過設定的時間窗口之後，接收電路打開，同步開始接受同一聲道另外探頭髮射的超聲波信號；4)接受的超聲波信號在經過帶通濾波及後置放大處理後送至比較器，進行過零檢測，判斷信號到達時刻後停止計時，得到每個聲路的順流及逆流傳播時間；5)對所測得的時間值進行診斷，如果有錯誤，則放棄本次測得時間值，並重新測量；6)微處理器利用測得的有效時間值根據公式⑴計算每聲道當地流速Ui,並對各聲道流速按照積分權重Wi求和，得到截面平均流速U,乘以截面面積A，再經流量修正係數K 修正，進而得到體積流量Qv;
權利要求
1.一種高精度時差式超聲波流量計，其特徵在於，包括流量計管段(50)，所述流量計管段(50)上設有形成第一聲道(60)的第一探頭(410)、第二探頭(420)、第一短管(310) 和第二短管(320)，以及形成第二聲道(70)的第三探頭(430)、第四探頭(440)、第三短管 (330)和第四短管(340)；所述第一探頭(410)和第二探頭(420)分別通過螺紋安裝在流量計管段(50)上焊接的第一短管(310)和第二短管(320)上；所述第三探頭(430)和第四探頭(440)分別通過螺紋安裝在流量計管段(50)上焊接的第三短管(330)和第四短管(340) 上；所述第一聲道(60)和第二聲道(70)平行交叉布置在流量計管段(50)上，且分別與流量計管段(50)的管軸線(80)成相等夾角0。
2.根據權利要求1所述的高精度時差式超聲波流量計，其特徵在於，第一至第四探頭 (410-440)與各自獨立的發射電路和接收電路相連，且所有探頭實現同步發射及接收超聲波信號。
3.根據權利要求2所述的高精度時差式超聲波流量計，其特徵在於，所述探頭的發射電路和接收電路分別連接至各自的計時電路，所述計時電路由計時晶片、微處理器、光耦電路、比較器和晶振組成，所述計時晶片經光耦電路以及信號調理電路連接至比較器，所述計時晶片還與用以提供基準時鐘的晶振以及控制計時流程的微處理器連接。
4.根據權利要求3所述的高精度時差式超聲波流量計，其特徵在於，所述計時電路輸入端還連接有溫度傳感器。
5.根據權利要求1所述的高精度時差式超聲波流量計，其特徵在於，所述超聲波流量計還包括有乙太網及USB接口，多臺流量計通過網絡通信可監測與控制管網的流量。
6.一種基於權利要求1-5中任一項所述的超聲波流量計的流量測量方法，其特徵在於，包括以下步驟1)計時晶片內置脈衝發生器發射出多個連續脈衝，同時啟動計數器；2)脈衝信號經光耦隔離及前置放大後同步驅動第一、二聲道上的四個探頭，第一探頭 (410)與第二探頭(420)、第三探頭(430)與第四探頭(440)相互發射超聲波信號；3)在經過設定的時間窗口之後，接收電路打開，同步開始接受同一聲道另外探頭髮射的超聲波信號；4)接受的超聲波信號在經過帶通濾波及後置放大處理後送至比較器，進行過零檢測， 判斷信號到達時刻後停止計時，得到每個聲路的順流及逆流傳播時間；5)對所測得的時間值進行診斷，如果有錯誤，則放棄本次測得時間值，並重新測量；6)微處理器利用測得的有效時間值根據公式(1)計算每聲道當地流速Ui,並對各聲道流速按照積分權重Wi求和，得到截面平均流速U，乘以截面面積A，再經流量修正係數K修正，進而得到體積流量Qv;
全文摘要
本發明公開了一種高精度時差式超聲波流量計，包括流量計管段，流量計管段上設有形成第一聲道的第一探頭、第二探頭、第一短管和第二短管，以及形成第二聲道的第三探頭、第四探頭、第三短管和第四短管；第一探頭和第二探頭分別通過螺紋安裝在流量計管段上焊接的第一短管和第二短管上；第三探頭和第四探頭分別通過螺紋安裝在流量計管段上焊接的第三短管和第四短管上；第一聲道和第二聲道平行交叉布置在流量計管段上，且分別與流量計管段的管軸線成相等夾角θ。該種流量計採用雙聲道超聲波進行測量，並且採用計時晶片開發計時電路，使計時更加精確，並且本發明能實現測溫功能，不必再單獨設計測溫電路，其不僅結構簡單、使用方便，而且測量精度高。
文檔編號G01F1/86GK102261937SQ201110103079
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月25日 優先權日2011年4月25日
發明者吳江濤, 陳強 申請人:西安交通大學