一種多聲路并行同步測流的超聲波流量計及流量測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種多聲路并行同步測流的超聲波流量計及流量測量方法，在同一時刻對所有聲路的發射換能器同時發送驅動信號，同時接收并檢測所有聲路接收換能器的超聲波回波信號，從而測量各聲路超聲波在流體中正向（與流速方向相同）和逆向（與流速方向相反）傳播時間，可以大幅度減少各聲路流速測量的時間間隔，使得整個截面的流量測量更能真實地反映實際流量，解決傳統多聲路超聲波流量計循環測量各聲路流速的時間間隔過長、流量測量誤差較大的問題，特別適用于流速變化較大的工況條件流量測量。
【專利說明】一種多聲路并行同步測流的超聲波流量計及流量測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種多聲路并行同步測流的超聲波流量計及流量測量方法，屬于流體 流量檢測【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 時差法超聲波流量測量原理如圖1所示，利用安裝在管道或渠道上游和下游對稱 位置的兩個超聲波換能器，在一個時刻，上游換能器發射超聲波信號，下游換能器接收超聲 波回波信號，測量超聲波在流體中正向傳播時間T ud ;而在下一個時刻，下游換能器發射超 聲波信號，上游換能器接收超聲波回波信號，測量超聲波在流體中逆向傳播時間Tdu，根據聲 路長L及聲路與流體順流方向之間夾角按式（1)計算出該聲路的流體流速V a，然后結合 聲路布置系數權重和截面形狀參數來計算流量。
【權利要求】
1. 一種多聲路并行同步測流的超聲波流量計，其特征在于，由CPU、可編程邏輯器件、 并行發射驅動電路、陣列回波信號接收電路和發射與接收一體化電路組成，其中： 所述CPU負責超聲波參數設置、測量流程管理、超聲波信號的收發控制、截面流量計 算、數據保存、顯示控制及通訊； 所述可編程邏輯器件根據CPU的指令，由頻率合成邏輯形成超聲波換能器的脈沖驅動 信號，并按照發射時序控制邏輯的要求，同時發送給并行發射驅動電路； 所述可編程邏輯器件內置與聲路相同個數的傳播時間計數器，可同時對所有聲路正向 或逆向傳播時間進行計數和測量； 所述可編程邏輯器件內設計陣列回波接收電路的接收控制邏輯，可同時實現對回波信 號的濾波選擇、A/D采集控制、增益調節及檢波； 所述并行發射驅動電路用于對驅動脈沖信號進行電壓提升和功率放大，驅動發射換能 器發出對應頻率的超聲波信號； 所述陣列回波接收電路由限幅、窄帶濾波、可變增益調節、檢波及A/D采集電路組成， 用于對回波信號進行限幅，濾波，計算幅值，增益調幅和檢波處理，并產生傳播時間計數器 停止計數的控制信號； 所述發射和接收一體化電路負責所有聲路超聲波換能器并行發射信號和回波信號接 收隔離和切換控制。
2. 根據權利要求1所述的一種多聲路并行同步測流的超聲波流量計，其特征在于，所 述如果回波信號大于檢波電平，則檢波電路產生控制信號給可編程邏輯器件，使對應聲路 的傳播時間計數器停止計數。
3. 根據權利要求1所述的一種多聲路并行同步測流的超聲波流量計，其特征在于，所 述各聲路的換能器在安裝時進行精確對準，如果不是來自對應換能器的超聲波信號，則接 收到的回波信號幅值會非常小，或者放大至同等幅值下時增益會特別大，通過幅值或增益 就可判斷所接收的回波信號是否來自對應發射換能器，如果不是該聲路的回波信號，則不 進行檢波。
4. 根據權利要求1所述的一種多聲路并行同步測流的超聲波流量計，其特征在于，所 述并行發射驅動電路中，對可編程邏輯器件產生的并行驅動脈沖信號通過功率驅動芯片控 制場效應管的開與關，把電路板內的低電壓Vl通過變壓器提升至高電壓V2,利用該高壓脈 沖信號驅動發射換能器發出超聲波信號。
5. 利用權利要求1至4中任意一項的多聲路并行同步測流的超聲波流量計進行流量測 量的方法，其特征在于，包括以下步驟： 1) 通過CPU進行聲路參數配置、截面參數的配置及回波增益預設定，啟動聲路測量控 制信號，開始測量； 2) 可編程邏輯器件收到CPU發出的聲路測量控制信號后，根據各聲路參數配置和換能 器型號合成換能器對應頻率的驅動脈沖信號，使其按照發射時序控制邏輯的要求，同時發 送給并行發射驅動電路，并使能可編程邏輯器件內各聲路的傳播時間計數器； 3) 并行發射驅動電路對脈沖驅動信號進行電壓提升和功率放大，驅動發射換能器發出 對應頻率的超聲波信號； 4) 超聲波信號在流體中傳播，通過接收換能器接收并轉換為電回波信號，該電回波信 號通過發射和接收一體化電路中的隔離電路送至陣列回波接收電路； 5) 可編程邏輯器件根據接收控制邏輯，控制陣列回波接收電路，適時打開限幅電路，選 擇窄帶濾波電路、啟動A/D采集、打開可變增益調節電路和檢波電路，對接收到的回波信號 進行限幅，濾波，計算幅值，增益調幅和檢波； 6) 經陣列回波接收電路檢波后，如果回波信號大于檢波電平，則檢波電路產生控制信 號給可編程邏輯器件，使對應聲路的傳播時間計數器停止計數，由此得到各聲路的超聲波 信號在流體中的傳播時間； 7. CPU根據式（2)計算出各聲路的瞬時流速Vi:
其中，Li為聲路i的長度，Pt為聲路i與流速之間的夾角，Tdui為i路超聲波在流體中 逆流傳播時間，Tudi為i路超聲波在流體中順流傳播時間； 8. CPU根據式（3)計算截面的瞬時流量值
Q: 其中，Wi為聲路布置權重系數，R為截面半徑，N為聲路數。
6.根據權利要求5所述的流量測量方法，其特征在于，所述步驟6)中，通過CPU控制檢 波電路設置門檻電壓作為檢波電平。
【文檔編號】G01F1/66GK104236649SQ201410431877
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】徐方明, 劉國敏, 藍彥, 彭文才, 朱浩, 韓宇琦, 閆麗 申請人:南京南瑞集團公司, 國網電力科學研究院