[发明专利]时差法超声波流量计的频率调制波形标记方法

说明书

技术领域

本发明属于时差式超声波流量计范畴，尤其涉及一种超声波流量计的频率调制波形标记方法。

背景技术

超声波流量计与传统流量计相比，无可动部件、无压损、溯源性好、成本对口径变动不敏感，因此在中大管径流量测量方面局域明显优势，近年来在气体测量方面推广较快。由于气体中超声波信号衰减严重、气体和超声波换能器的声透射率低等原因，使得其在气体流量测量方面仍存在较多问题，一般很难达到液体测量中的测量精度。

时差法超声波流量计的主要精度干扰因素包括：(1)超声波波形在气体传输过程中，衰减严重，且幅值受流速影响大，传统阈值法和过零法结合测量时差难以实现；(2)流场内部的实际流速分布与流量计中内置的流速分布模型有偏差，引起模型误差。

发明内容

本发明主要解决的问题是时差法气体超声波流量计流量检测中的信号波形幅值不稳定带来的时差测量问题。

为了达到以上发明目的，本发明采用的技术方案是：发射信号的频率在换能器带宽范围内变动和相关法流量测量，步骤如下：

(1)利用高速处理器在换能器共振中心频率上迭加频率变动，生成发射信号，迭加的频率变动周期要求大于换能器脉冲传播最大理论时间；

(2)发射信号在流体介质传播过程中携带流动信息；

(3)在接收换能器端采集信号，将其中偏离换能器共振中心频率的变动部分数值与发射时使用的频率变动数值进行相关运算；

(4)根据相关函数的峰值位置算得单向得渡越时间，在获得双向渡越时间后，即获得时差从而获得流速和流量信息。

所述采用中心频率上迭加一个频率变动来编码发射信号，实现对换能器波形的标记与定位。

本发明具有的有益效果是：

(1)本发明不需要直接测量由于流体流动引起的收发信号微小渡越时间变化；

(2)用于相关运算的信号是频率变动的数值，而非换能器工作频率上的原始激励信号，且由于原始激励信号的频率是固定值，在信号处理上允许使用欠采样处理，降低对采样频率的要求。

(3)本发明中的核心部分是频率的变动(调频)，对于信号波形幅值变动因素不敏感，避免了采用传统阈值法和过零检测结合测量时差对波形稳定性和信噪比的苛刻要求。

附图说明

图1是相关测量原理图。

图2是本发明的相关法流量测量原理示意图。

图3是本发明的频率调制波形标记方法示意图。

具体实施方法

本发明提出使用在换能器工作中心频率上迭加一个频率变动，利用发射和接受信号的频率变动相关特性来标记波形到达时刻，测量超声波的发射和接收之间的渡越时间。由于相关运算中作为标记的主要是频率的变动，具有对波形信号的幅值变动不敏感的特点，可以显著降低对信号信噪比的要求。

实施步骤如下：

(1)如图2所采用高速处理器产生频率为f(t)+Δf(t)的发射信号，其中f(t)是换能器共振频率，Δf(t)为预先定义的频率变动。该过程相当于对发送信号进行一次频率调制，采用这种方法获得的发射与接收波形如图3所示。

(2)高速处理器在产生发射信号的同时，产生与Δf(t)信号对应的频率变动数值序列。该过程相当于产生步骤(1)调制前的随机变动信号。

(3)对接收换能器接收到的信号进行解调，恢复其中的频率变动信号Δf(t-τ)，其中的τ是接收信号与发射信号之间的时间。

(4)如图1对两个频率变动数值序列进行相关运算，获得两者的时间差即为信号在发送和接收换能器之间的渡越时间τ。

(5)分别测得顺流和逆流两个方向的渡越时间，即可获得传播的时差，从而获得流体的流速和流量。