一種基于超聲波流量計的流量測量方法及裝置與流程

本發明涉及測量儀器領域，尤其涉及一種基于超聲波流量計的流量測量方法及裝置。

背景技術：

超聲波流量計是近年來發展最為迅速的流量計之一，它是一種利用超聲波信號在流體中傳播時流體的流速信息來測量流體流量的測量技術，它具有測量精度高、測量范圍寬、安裝維護方便等優點。

時差法是采用超聲波測量時常用的方法之一，其原理是根據超聲波信號順流傳播時間和逆流傳播時間之差來計算流速，從而計算出流量。然而，現有技術中，在實際測量時，由于流體的流速不均勻以及環境的影響，會影響計算的精度。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明公開了一種基于超聲波流量計的流量測量方法及裝置，解決了現有技術中，由于流體流速不均勻以及環境的影響而造成的測量精度不準確的問題。

本發明實施例提供了一種基于超聲波流量計的測量方法，所述方法包括：

監測到脈沖驅動信號后，對脈沖數據進行采集，并依據采集到的數據尋找三個相鄰的過零點，并判斷所述三個相鄰的過零點是否為超聲波過零點；

若為超聲波過零點，依據預設的規則在所述三個過零點中，確定第一起始點；

修正靜水條件下順流傳播和逆流傳播的時間差，并獲取修正系數；

將所述第一起始點作為接收到超聲波信號的起始時刻，并依據所述修正系數獲取順流傳播時間和逆流傳播時間；

依據修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，計算瞬時流量。

可選的，所述依據采集到的數據尋找三個相鄰的過零點，并判斷所述三個相鄰的過零點是否為超聲波過零點，包括：

依次獲取采集到的測量數據對應的時刻；

依次判斷獲取到的測量數據對應的時刻是否滿足預設的過零規則；

確定滿足過零規則的相鄰的三個過零點；

判斷得到的滿足過零規則的三個相鄰的過零點是否滿足預設的超聲波過零規則；

若滿足超聲波過零規則，表示接收到的信號為超聲波信號。

可選的，所述修正靜水條件下順流傳播和逆流傳播的時間差，并獲取修正系數，包括：

在靜水條件下，當監測到上游換能器發射第一超聲波信號后開始計數，當監測到下游換換能器接收到所述第一超聲波信號時停止計數，得到第一計數值；

在靜水條件下，當監測到下游換能器發射第二超聲波信號后開始計數，當監測到上游換能器接收到所述第二超聲波信號時停止計數，并得到第二計數值；

依據預設的修正規則，獲取第一計數值對應的第一修正計數值和第二計數值對應的第二修正計數值，并獲取正向修正系數和逆向修正系數。

可選的，所述依據所述修正系數獲取順流傳播時間和逆流傳播時間，包括：

獲取順流的第一瞬時計數值，并將所述第一瞬時計數值與正向修正系數的和與已獲得的計數時間間隔相乘獲得順流傳播時間；

獲取逆流的第二瞬時計數值，并將所述第二瞬時計數值與逆向修正系數的和與已獲得的技術時間間隔相乘獲得逆流傳播時間。

可選的，還包括：

依據液體在管道中的溫度，對所述瞬時流量進行修正。

本發明實施例還提供了一種基于超聲波流量計的流量測量裝置，所述裝置包括：

判斷單元，用于監測到脈沖信號后，對脈沖數據進行采集，并依據采集到的數據尋找三個相鄰的過零點，并判斷所述三個相鄰的過零點是否為超聲波過零點；

確定單元，用于若為超聲波過零點，依據預設的規則在所述三個過零點中，確定第一起始點；

第一獲取單元，用于修正靜水條件下順流傳播和逆流傳播的時間差，并獲取修正系數；

第二獲取單元，將所述第一起始點作為接收到超聲波信號的起始時刻，并依據所述修正系數獲取順流傳播時間和逆流傳播時間；

計算單元，用于依據修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，計算瞬時流量。

可選的，所述判斷單元包括：

第一獲取子單元，用于依次獲取采集到的測量數據對應的時刻；

第一判斷子單元，用于依次判斷獲取到的測量數據對應的時刻是否滿足預設的過零規則；

確定子單元，用于確定滿足過零規則的相鄰的三個過零點；

第二判斷子單元，用于判斷得到的滿足過零規則的三個相鄰的過零點是否滿足預設的超聲波過零規則；

表示子單元，用于若滿足超聲波過零規則，表示接收到的信號為超聲波信號。

可選的，所述第一獲取單元包括：

第一計數子單元，用于在靜水條件下，當監測到上游換能器發射第一超聲波信號后開始計數，當監測到下游換換能器接收到所述第一超聲波信號時停止計數，得到第一計數值；

第二計數子單元，用于在靜水條件下，當監測到下游換能器發射第二超聲波信號后開始計數，當監測到上游換能器接收到所述第二超聲波信號時停止計數，并得到第二計數值；

第二獲取子單元，用于依據預設的修正規則，獲取第一計數值對應的第一修正計數值和第二計數值對應的第二修正計數值，并獲取正向修正系數和逆向修正系數。

可選的，第二獲取單元包括：

第三獲取子單元，用于獲取順流的第一瞬時計數值，并將所述第一瞬時計數值與正向修正系數的和與已獲得的計數時間間隔相乘獲得順流傳播時間；

第四獲取子單元，用于獲取逆流的第二瞬時計數值，并將所述第二瞬時計數值與逆向修正系數的和與已獲得的技術時間間隔相乘獲得逆流傳播時間。

可選的，還包括：

修正單元，用于依據液體在管道中的溫度，對所述瞬時流量進行修正。

本發明實施例提供了一種基于超聲波流量計的流量測量方法，首先通過零點分析法，確定計算順流傳播時間和逆流傳播時間的第一起始點，然后修正了在靜水條件下順流傳播和逆流傳播的時間差，修正后以第一起始點作為接收到超聲波信號的起始時刻，依據修正系數獲取修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，依據修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，計算瞬時流量。因此，通過零點分析法確定第一起始點，保證接收到的信號為超聲波信號，避免了外界噪聲的干擾；并且通過對靜水條件下順流傳播時間和逆流傳播時間的修正，避免了在靜水條件下同一聲路上超聲波正逆向傳播時間差不為零對精度的影響，提高了測量精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種基于超聲波流量計的流量測量方法的流程示意圖；

圖2為本發明實施例提供的一種基于超聲波流量計的流量測量方法的流程示意圖；

圖3為本發明實施例提供的一種基于超聲波流量計的流量測量裝置的結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

參考圖1，示出了本發明實施例一種基于超聲波流量計的流量測量方法的流程示意圖。在本實施例中，所述方法可以包括：

S101：監測到脈沖驅動信號后，對脈沖數據進行采集，并依據采集到的數據尋找三個相鄰的過零點，并判斷所述三個相鄰的過零點是否為超聲波過零點。

S102：若為超聲波過零點，依據預設的規則在所述三個過零點中，確定第一起始點。

本實施例中，依據采集到的數據尋找三個相鄰的過零點，并判斷所述三個相鄰的過零點是否為超聲波過零點，具體可以包括:依次獲取采集到的測量數據對應的時刻；依次判斷獲取到的測量數據對應的時刻是否滿足預設的歸零規則；確定滿足過零規則的相鄰的三個過零點；判斷得到的滿足過零規則的三個相鄰的過零點是否滿足預設的超聲波過零規則；若滿足超聲波過零規則，表示接收到的信號為超聲波信號。

本實施例中，發動脈沖驅動信號后，啟動超聲波流量計的模數轉換器進行數據采集，采集的數據可以為i，采集數據的時刻為Z_i，其中，i為接收信號中待分析數據的編號且為自然數。將采集到的i個數據進行分析，并判斷Z_i是否滿足預設的歸零規則，若滿足，則該時刻為過零點。

其中，預設的過零規則可以包括以下三個規則：

第一規則：當前點幅值等于零；

第二規則：當前點幅值小于零但下一個點幅值大于零；

第三規則：當前點幅值大于零但下一個點的幅值小于零。

本實施例中，需要說明的是，只要滿足以上3個規則中的任意一個則表明滿足過零規則。

選擇三個滿足以上過零規則的三個時刻點，并判斷選擇的相鄰的三個過零點是否滿足預設的超聲波過零規則，假設確定的三個相鄰的過零點可以為：Z_q-1、Z_q、Z_q+1，則預設的超聲波過零規則可以包括：

1)：超聲波信號半波長*(1-δ₁)≤Z_q-1與Z_q間半波長≤超聲波半波長*(1+δ₁)；

2)：超聲波信號半波長*(1-δ₂)≤Z_q與Z_q+1間半波長≤超聲波半波長*(1+δ₁)；

3)第二規則：Z_q-1與Z_q間半波極性≠Z_q與Z_q+1間半波極性。

其中，δ₁和δ₂是換能器導致的超聲波信號正負半波的誤差率，按照以上條件對波形進行分析。本實施例中，這三個過零點中，首次滿足超聲波過零規則的第一個過零點，即為超聲波信號的到達時刻，即可以將該點確定為第一起始點。若找到的三個相鄰的過零點不滿足超聲波過零點，則重新執行S101尋找過零點。

S103：修正靜水條件下順流傳播和逆流傳播的時間差，并獲取修正系數。

本實施例中，在靜水條件下，同一聲路上超聲波正逆向傳播的時間應該相等，正逆向時間差為零，聲路流速也為零，但是若是同一聲路上的換能器沒有對準，在靜水條件下，同一聲路上的超聲波正、逆向傳播的時間差不為零，聲路也會有一個小小的流速值，然而，此時不應該有這樣的小流量，因此，在計算流量時會將該小流量也算入在內，影響計算的流量的精度，因此，為了解決該問題，S103具體可以包括：

S201：在靜水條件下，當監測到上游換能器發射的第一超聲波信號后開始計數，當監測到下游換能器接收到所述第一超聲波信號時停止計數，得到第一計數值。

S202：在靜水條件下，當監測到下游換能器發射第二超聲波信號后開始計數，當監測到上游換能器接收到所述第二超聲波信號時停止計數，并得到第二計數值。

S203：依據預設的修正規則，獲取第一計數值對應的第一修正計數值和第二修正計數值，并獲取正向修正系數和逆向修正系數。

本實施例中，假設在靜水條件下，得到的第一計數值為N₁，第二計數值為N₂；若N₁>N₂,則取ΔN＝N₁-N₂，當ΔN為偶數時，正向修正系數為-ΔN/2,第一修正計數值為N₁’＝N₁-ΔN/2，逆向修正系數為ΔN/2，第二修正計數值為N₂’＝N₂+ΔN/2；當ΔN為奇數時，令ΔN’＝ΔN+1，正向修正系數為-ΔN’/2,第一修正計數值為N₁’＝N₁-ΔN’，逆向修正系數為ΔN’/2，第二修正計數值為N₂’＝N₂+ΔN’/2。若N₁<N₂,則取ΔN＝N₁-N₂,當ΔN為偶數時，正向修正系數為-ΔN/2,第一修正計數值為N₁’＝N₁-ΔN/2，逆向修正系數為ΔN/2，第二修正計數值為N₂’＝N₂+ΔN/2。令第一修正計數等于第二修正計數，則正向傳播和逆向傳播的總計數不變，實現了在靜水條件下使流量調零。

S104：將所述第一起始點作為接收到超聲波信號的起始時刻，并依據所述修正系數獲取修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間。

本實施例中，向數模轉換模塊發送測量指令，其中，所述測量指令包括：順流測量指令和逆流測量指令。當數模轉換模塊接收到順流測量指令后，對順流傳播開始計數，假設得到的計數值為N₁，當數據轉換模塊接收到逆流測量指令后，對逆流傳播開始計數，假設得到的計數值為N₂，假設計數的時間間隔為Δt，則順流傳播時間T₁＝(N₁+正向修正系數)*Δt，逆流傳播時間T₂＝(N₂+逆向修正系數)*Δt。

S105：依據修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，計算瞬時流量。

本實施例中，獲得順流傳播時間和逆流傳播時間后，首先計算瞬時流速，可以通過以下的公式1)獲得；

然后，可以通過下的公式獲得瞬時流量其中，q表示瞬時流量，k為流速分布修正系數，該系數是技術人員預設的一個系數；d為管體的內徑。

本實施例中，由于管體內液體的溫度，也會對最終瞬時流量的計算產生影響，為了避免由于溫度而造成計算得到的瞬時流量出現誤差，因此，本實施例還可以包括：依據液體在管道中的溫度，對所述瞬時流量進行修正。

本實施例中，首先測量出液體在管體內的溫度，根據溫度查表獲得液體的動力粘滯系數α和液體的密度β，然后根據實際管道結構和管徑判斷出流場的層流、過度流和紊流狀態所對應的雷諾數Re，最后根據Re的值，計算流速分布修正系數k的值。其中k與溫度的函數為：k＝k(q，T),將該函數擬合為線性曲線函數為k＝α*(80℃-T)+β。其中，T表示液體的溫度，q表示未經修正的體積流量。依據以下的公式2),計算修正后的瞬時流量,其中，Q表示修正后的瞬時流量，f為每秒測量的次數，可根據情況進行設定。

本實施例中，首先通過零點分析法，確定計算順流傳播時間和逆流傳播時間的第一起始點，然后修正了在靜水條件下順流傳播和逆流傳播的時間差，修正后以第一起始點作為接收到超聲波信號的起始時刻，依據修正系數獲取修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，依據修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，計算瞬時流量。因此，通過零點分析法確定第一起始點，保證接收到的信號為超聲波信號，避免了外界噪聲的干擾；并且通過對靜水條件下順流傳播時間和逆流傳播時間的修正，避免了在靜水條件下同一聲路上超聲波正逆向傳播時間差不為零對精度的影響，提高了測量精度。

參考圖3，示出了本發明實施例一種基于超聲波流量計的流量測量裝置的結構示意圖。在本實施例中，所述裝置可以包括：

判斷單元301，用于監測到脈沖信號后，對脈沖數據進行采集，并依據采集到的數據尋找三個相鄰的過零點，并判斷所述三個相鄰的過零點是否為超聲波過零點；

確定單元302，用于若為超聲波過零點，依據預設的規則在所述三個過零點中，確定第一起始點；

第一獲取單元303，用于修正靜水條件下順流傳播和逆流傳播的時間差，并獲取修正系數；

第二獲取單元304，用于將所述第一起始點作為接收到超聲波信號的起始時刻，并依據所述修正系數獲取順流傳播時間和逆流傳播時間；

計算單元305，用于依據修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，計算瞬時流量。

可選的，所述判斷單元包括：

第一獲取子單元，用于依次獲取采集到的測量數據對應的時刻；

第一判斷子單元，用于依次判斷獲取到的測量數據對應的時刻是否滿足預設的過零規則；

確定子單元，用于確定滿足過零規則的相鄰的三個過零點；

第二判斷子單元，用于判斷得到的滿足過零規則的三個相鄰的過零點是否滿足預設的超聲波過零規則；

表示子單元，用于若滿足超聲波過零規則，表示接收到的信號為超聲波信號。

可選的，所述第一獲取單元包括：

第一計數子單元，用于在靜水條件下，當監測到上游換能器發射第一超聲波信號后開始計數，當監測到下游換換能器接收到所述第一超聲波信號時停止計數，得到第一計數值；

第二計數子單元，用于在靜水條件下，當監測到下游換能器發射第二超聲波信號后開始計數，當監測到上游換能器接收到所述第二超聲波信號時停止計數，并得到第二計數值；

第二獲取子單元，用于依據預設的修正規則，獲取第一計數值對應的第一修正計數值和第二計數值對應的第二修正計數值，并獲取正向修正系數和逆向修正系數。

可選的，所述第二獲取單元包括：

第三獲取子單元，用于獲取順流的第一瞬時計數值，并將所述第一瞬時計數值與正向修正系數的和與已獲得的計數時間間隔相乘獲得順流傳播時間；

第四獲取子單元，用于獲取逆流的第二瞬時計數值，并將所述第二瞬時計數值與逆向修正系數的和與已獲得的技術時間間隔相乘獲得逆流傳播時間。

可選的，還包括：

修正單元，用于依據液體在管道中的溫度，對所述瞬時流量進行修正。

通過本實施例提供的裝置，首先通過零點分析法，確定計算順流傳播時間和逆流傳播時間的第一起始點，然后修正了在靜水條件下順流傳播和逆流傳播的時間差，修正后以第一起始點作為接收到超聲波信號的起始時刻，依據修正系數獲取修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，依據修正后的順流傳播時間和逆流傳播時間，計算瞬時流量。因此，通過零點分析法確定第一起始點，保證接收到的信號為超聲波信號，避免了外界噪聲的干擾；并且通過對靜水條件下順流傳播時間和逆流傳播時間的修正，避免了在靜水條件下同一聲路上超聲波正逆向傳播時間差不為零對精度的影響，提高了測量精度。

需要說明的是，本說明書中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。