一种基于零点分析的时差式超声波流量计测量方法

摘要

本发明公开了一种基于零点分析的时差式超声波流量计的测量方法，其是通过零点分析法准确确定顺逆流传播时间的方法，其方法为:（1）发出脉冲驱动信号后，启动A/D转换进行数据采集；（2）寻找零点值；（3）判断是否为超声波信号过零点；（4）选取超声波接收信号中的第一个过零点来确定超声信号到达时刻，计算出顺逆流传播时间；（5）通过顺逆流传播时间计算所测断面的瞬时流量。本发明的超声波信号零点不受外部环境的影响，即使在信号较弱、波动较大以及干扰强烈的情况下，均能检测到零点，准确测量出超声波信号在流体中的顺逆流传播时间，极大地提高了时差法超声波流量计的计量精度，彻底解决现有阈值比较法带来的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及的是超声波流量计测量方法，特别是涉及一种基于零点分析的 时差式超声波流量计测量方法。

背景技术

超声波流量计无可动部件，可以实现非接触高精度测量，具有量程宽、无 压损、溯源性好、成本对口径变动不敏感等优点，可用于测量圆管、方涵、明 渠等各种断面中液体或气体流量的测量，尤其在中大管径流量测量方面具有明 显优势。

超声波流量计发展至今，在众多种测量方法中，时差法超声波流量计具有 测量方式简单和计量精度高等优点，一直备受关注。时差法超声波流量计其原 理是根据超声波信号顺流传播时间和逆流传播时间之差来计算流速，从而计算 出流量。

目前，时差式超声波流量计都是采用基于阈值比较方式来获得流体中顺逆 流超声波传播时间。时差法超声波流量计工作原理如图1所示，这是一个有压 管道的流量测量示意图，其中“CPU”控制整个测量过程，“发射电路”用于向 换能器发射脉冲驱动信号，“信号收发转换电路”控制各换能器工作在发射状态 还是接收状态，“滤波放大电路”滤除接收波形中噪声并调整波形幅值大小，之 后一路送给“阈值比较电路”用于确定超声传播时间，另一路送给“A/D转换” 对波形进行数字量化并提供给CPU作进一步处理。

超声波换能器A和B为同一声路中的一对换能器，当其中一个用作发射换 能器时，另一个则作为接收换能器。如图所示，当超声波顺流从换能器A发出 到换能器B收到所经历的时间则为顺流传播时间Tu，当超声波逆流从换能器B 发出到换能器A收到所经历的时间则为逆流传播时间Td。

超声波信号在流体中传播，顺流时传播速度较逆流时传播速度快，相应的 其顺流传播时间Tu就较逆流传播时间Td短，从而顺逆流方向声波信号传播时 间存在差值（即时差）。时差法超声波流量计就是根据流体流速与时差存在线性 关系原理进行测量的，只要准确测定顺逆流时间，就可求出瞬时流速：

$V=\frac{L}{2\cos \alpha }\times (\frac{1}{T_u}-\frac{1}{T_d})$公式1

其中α为流速与超声波传播路径的夹角，如果所测断面面积为S，进而可以 求出该断面的瞬时流量：

Q＝V×S

从公式1中可看出，时差式超声波流量计的关键是如何得到准确的顺逆流 传播时间。

在图2(a)中，横坐标轴为时间t，纵坐标轴为超声波接收信号幅值V，在通 常所用的阈值比较法中，顺逆流传播时间T是从向发射换能器发出脉冲驱动信 号时起，到接收换能器所接收信号首次切割阈值电平时止，所经历的时间。

而目前在实际测量过程中，由于复杂的外界环境会影响接收到的超声波信 号，会使超声波接收信号幅值发生波动，轻的会使传播时间的测量产生误差， 严重的可能测不到传播时间，如果出现较大的干扰，还会使测量出现错误；其 具体容易出现的以下3种情况：

①如果噪声干扰强烈，噪声幅值大于阈值，传播计数将被提前终止，得到 错误的传播时间，如图2(b)所示；

②如果超声波接收信号变的过弱，最大幅值处在阈值以下时，传播计数将 会溢出，无法测得准确的传播时间，如图2(c)所示；

③如果超声波接收信号有波动，阈值电压首次与接收信号切割时刻点会发 生漂移，导致传播时间测量不准确，从而影响时差式超声波流量计的动 态计量精度。如图2(d)所示，因信号波动，阈值均有可能在a、b、c等 处首次与超声波接收信号切割，得到不同的传播时间。

本发明的目的就是要找到一种新的方法，解决现有技术上不足。

发明内容

为克服现有技术上的不足，本发明目的是在于提供一种基于零点分析的时 差式超声波流量计测量方法，在信号较弱、波动较大以及干扰强烈的情况下， 都能检测到零点，准确测量出超声波信号在流体中的顺逆流传播时间，极大地 提高了时差法超声波流量计的计量精度，彻底解决现有阈值比较法带来的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

基于零点分析的时差式超声波流量计的测量方法，其特征在于，其方法为: 根据时差式超声波流量计的接收换能器接收到超声波信号时，就会在其电极两 端产生并输出电信号y(t)，即

其中，r(t)为关于时间t的调制函数，f₀为换能器固有谐振频率，φ为初始 相位，

设初始相位φ为零，其根据cos(2πf₀t)函数图像寻找超声波接收信号中的 第一个零点超声信号到达时刻点;

（1）脉冲驱动信号数据采集；

发出脉冲驱动信号后，启动时差式超声波流量计的A/D转换进行数据采集， 采集数据个数i，所采集的数据时刻点Z_i,其中，i为自然数；

（2）寻找零点值；

将采集的i个数据进行零点分析，判断Z_i是否为过零点，若Z_i满足过零法 则条件之一，则判断为过零点；反之，则否,返回步骤（1）进行继续采集；

所述过零法则条件如下：

①当前点幅值等于0；

②当前点幅值小于0但下一个点幅值大于0；

③当前点幅值大于0但下一个点幅值小于0；

（3）至少选择3个相邻过零点，并判断是否为超声波信号过零点；

通过上述步骤（2）的过零分析后，至少选取三个过零点Z_q-1、Z_q、Z_q+1， 其中，q为自然数，且1≤q≤i-1;

当Z_q-1、Z_q、Z_q+1同时满足超声波零点分析法条件时，则Z_q-1、Z_q、Z_q+1判断为超声波信号过零点，上述超声波零点分析法条件如下：

A.超声波信号半波长*（1-δ₁）≤Z_q-1与Z_q间半波长≤超声波信号 半波长*（1+δ₁）；

B.超声波信号半波长*（1-δ₂）≤Z_q与Z_q+1间半波长≤超声波信号 半波长*（1+δ₂）；

C.Z_q-1与Z_q间半波极性≠Z_q与Z_q+1间半波极性；

其中，δ₁和δ₂是换能器导致的超声波信号正负半波的误差率；

当不满足上述超声波零点分析法则条件，则选取下一相邻点继续超声波零点 分析法条件判断，若所有过零点均未满足超声波零点分析法则条件，则返回步 骤（1）；

（4）选取超声波接收信号中的第一个过零点来确定超声信号到达时刻，计 算顺逆流传播时间；

根据上述步骤（4）,选取Z₀、Z₁、Z₂为相邻的3个超声波信号过零点，其中， Z₀为超声波接收信号中启动A/D转换进行数据采集的第一个超声波过零时刻点； 则顺逆流传播时间T，

即

T＝T_g+T_z

其中，T_g是从发出脉冲驱动信号到启动A/D转换进行数据采集前的时间，T_z是从启动A/D转换进行数据采集后到出现第一个超声波过零时刻点Z₀间的时间。

（5）然后通过精确测量的顺逆流传播时间计算断面的瞬时流量;

时差式超声波流量计根据公式1计算瞬时流速V：

$V=\frac{L}{2\cos \alpha }\times (\frac{1}{T_g}-\frac{1}{T_z})$公式1

其中α为流速与超声波传播路径的夹角，

进而可以计算出断面的瞬时流量Q：

Q＝V×S

其中，S为所测断面面积。

本发明通过超声波信号零点分析法，超声波信号零点不受外部环境的影响， 即使信号波形过弱或信号波形幅值出现大的波动，也不影响零点的检测；如果 出现的强干扰信号，由于不满足零点分析法的条件，被直接过滤，也不影响零 点的检测，在信号较弱、波动较大以及干扰强烈的情况下，都能检测到零点， 准确测量出超声波信号在流体中的顺逆流传播时间，极大地提高了时差法超声 波流量计的计量精度，彻底解决现有阈值比较法带来的问题。

附图说明

图1是现有时差式超声波流量计的测量原理示意图；

图2是现有时差式超声波流量计的接收换能器接收的脉冲波示意图；

图3是本发明的时差式超声波流量计的接收换能器接收的超声波示意图；

图4为本发明的零点分析方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合管道中流量测量为具体实施方式，进一步阐述本发明。

本发明主要是准确测量顺逆流传播时间T，其提供的一种基于零点分析的时 差式超声波流量计的测量方法,超声波信号在流体中传播，顺流时传播速度较 逆流时传播速度快，相应的其顺流传播时间T_u就较逆流传播时间T_d短，从而顺 逆流方向声波信号传播时间存在差值（即时差）。时差法超声波流量计就是根据 流体流速与时差存在线性关系原理进行测量的，只要准确测定顺逆流时间，就 可求出瞬时流速：

$V=\frac{L}{2\cos \alpha }\times (\frac{1}{T_u}-\frac{1}{T_d})$公式1

其中α为流速与超声波传播路径的夹角，如果管道面积为S，进而可以求出管道 的瞬时流量：

Q＝V×S

从公式1中可看出，时差式超声波流量计的关键是如何得到准确的顺逆流 传播时间。

因此，本实施例通过研究，当接收换能器接收到超声波信号时，就会在其 电极两端产生并输出电信号y(t)，即

其中，r(t)为关于时间t的调制函数，f₀为换能器固有谐振频率，φ为初始 相位，为了讨论方便，设初始相位φ为零。当t=(2k+1)/4f₀（k为整数）时，y 的值为零，该时刻点称为零点，超声波在流体中传播时，环境噪声主要影响调 制信号r(t)部分，对cos(2πf₀t)部分没有影响，因此零点不受调制信号r(t) 的影响，即不受信号y(t)的幅值波动影响。

根据这一特性，把cos(2πf₀t)的第一个零点作为判断接收超声信号到达的 标志，可以很好的解决由于环境噪声而导致到达时刻错判的问题，从而能准确 测量顺逆流传播时间，克服了阈值比较法的不足。

参见图4，本实施例的基于零点分析的时差式超声波流量计的测量方法，其 方法步骤如下：

（1）脉冲驱动信号数据采集；

发出脉冲驱动信号后，启动时差式超声波流量计的A/D转换进行数据采集， 采集数据个数i，所采集的数据时刻点Z_i,其中，i为自然数，而且i为接收信 号中待分析数据的编号。

实际接收超声波信号时，应在第一个过零点Z₀达到时提前启动“A/D转换” 进行数据采集。

（2）寻找零点值；

将采集的i个数据进行零点分析，Z_i判断Z_i是否为过零点，若Z_i满足过零 法则条件之一，则判断为过零点；反之，则否,返回步骤（1）进行继续采集；

由于信号经“A/D转换”量化不能完全代表原始信号，因而凡是满足以下任 一情况即过零法则的数据点都认为是零点：

①当前点幅值等于0；

②当前点幅值小于0但下一个点幅值大于0；

③当前点幅值大于0但下一个点幅值小于0。

（3）至少选择3个相邻过零点，并判断是否为超声波信号过零点；使用时， 至少有3个相邻的过零点来判断是否为超声波信号；

通过上述步骤（2）的过零分析后，至少选取三个过零点Z_q-1、Z_q、Z_q+1， 其中，q为自然数，且1≤q≤i-1;

超声波信号与噪声相比具有固定波长和频率，根据这一特点，相邻3个过 零点Z_q-1、Z_q、Z_q+1如果能同时满足以下条件即超声波过零法则条件，则这3 个点都是超声波信号零点，这段信号应为超声波信号；上述超声波过零法则条 件如下：

A.超声波信号半波长*（1-δ₁）≤Z_q-1与Z_q间半波长≤超声波信 号半波长*（1+δ₁）；

B.超声波信号半波长*（1-δ₂）≤Z_q与Z_q+1间半波长≤超声波信 号半波长*（1+δ₂）；

C.Z_q-1与间半波极性≠Z_q与Z_q+1间半波极性；

其中，δ₁和δ₂是换能器导致的超声波信号正负半波的误差率；按照以上条件对 波形进行分析以获得超声波信号零点的方法即为零点分析法，首次满足零点分 析法3个条件的第1个零点即为超声信号到达时刻点Z₀；当不满足上述超声波 过零法则条件，则选取下一相邻点继续超声波过零法则条件判断，若所有过零 点均未满足超声波过零法则条件，则返回步骤（1）；此方法不再依赖阈值比较， 图1中“阈值比较电路”完全可以去掉。按照此方法可以把超声波信号及其所 有零点从包含噪声的信号数据中鉴别出来。

本实施例选取Z₀、Z₁、Z₂为相邻过零点，Z₀为超声波接收信号中启动A/D 转换进行数据采集的第一个过零时刻点，进行上述超声波过零法则条件判断。 在流体中由于某种复杂的环境干扰，可能出现类似于一个或多个超声波信号整 波长的干扰，只用3个相邻点可能无法判断就是超声波信号的零点，还需要在 Z₀、Z₁、Z₂的基础上继续分析是否存在Z₃或Z₄、Z₅等零点，这些零点都必须满足 零点分析法的3个条件，只有依次同时出现以上几个零点时才认为Z₀是超声信 号到达时刻点（如图3所示）

假设Z₀与Z₁间距用H₀表示（H₀=Z₁-Z₀）、Z₁与Z₂间距用H₁表示（H₁=Z₂-Z₁）， 如图3所示，H₀=L/2，H₁=L/2，Z₁与Z₂间正半波与Z₁与Z₂间负半波极性不同，满 足零点分析法的3个条件，因此Z₀、Z₁、Z₂都是超声波信号零点，而Z₀为第一个 零点。如果继续对Z₁、Z₂、Z₃按零点分析法进行分析，发现Z₃也是超声波信号零 点，以此类推Z₄也是超声波信号零点，如果需要可以一直按此分析下去，直到 找出超声波信号的所有零点；若已通过进入步骤（4）;

（4）选取超声波接收信号中的第一个过零点来确定超声信号到达时刻，计 算顺逆流传播时间；

根据上述步骤（4）,在图3中，L为超声波波长，选取Z₀、Z₁、Z₂为相邻的 3个超声波信号过零点，其中，Z₀为超声波接收信号中启动A/D转换进行数据采 集的第一个超声波过零时刻点，T_g是从发出脉冲驱动信号到启动“A/D转换”前 的时间，T_z是从启动“A/D转换”后到出现第一个零点Z₀间的时间，测得T_z后就 可获得顺逆流传播时间T，即

T＝T_g+T_z

实际接收超声波信号时，应在零点Z₀达到时提前打开“A/D转换”进行数据 采集，过早或过晚打开都有可能错过有效波形，一般通过T_g来控制，使得零点 Z₀尽量处在整个波形数据的中间位置。这必然在零点Z₀前引入无关的噪声信号 （T_z所对应信号区域），而无法简单使y的值为零的方式来获得零点Z₀的到达时 刻，需要分别对噪声波形和超声波信号波形的特征进行分析，而本实施例通过 上述步骤（1）-（3）以确定了哪些是噪声零点，哪些是超声波信号的零点，从 而进一步精确确定了顺逆流传播时间值。

（5）然后通过精确测量的顺逆流传播时间计算管道的瞬时流量;

时差式超声波流量计根据公式1计算瞬时流速V：

$V=\frac{L}{2\cos \alpha }\times (\frac{1}{T_g}-\frac{1}{T_z})$公式1

其中α为流速与超声波传播路径的夹角，

进而可以计算出管道的瞬时流量Q：

Q＝V×S

其中，S管道面积。

本发明通过超声波信号零点分析法，超声波信号零点不受外部环境的影响， 即使信号波形过弱或信号波形幅值出现大的波动，也不影响零点的检测；如果 出现的强干扰信号，由于不满足零点分析法的条件，被直接过滤，也不影响零 点的检测，在信号较弱、波动较大以及干扰强烈的情况下，都能检测到零点， 准确测量出超声波信号在流体中的顺逆流传播时间，极大地提高了时差法超声 波流量计的计量精度，彻底解决现有阈值比较法带来的问题。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本 发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在 其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。