[发明专利]一种超声回波传播时间测量方法

说明书

技术领域

本发明属于超声流量测量技术领域，具体涉及一种在超声流量计中超声回波传播时间测量方法。

背景技术

超声流量计是利用超声波信号在流体中传播时承载流速信息来计算流体流速，进而推算出流量的新型流量测量仪表，具有非接触式，测量精度高，安装维护方便等优点。

超声回波传播时间是指发射端超声换能器发射信号到接收端换能器接收信号所经历的时间间隔，如图1所示，T为真实超声回波传播时间，T′为实际测量的传播时间。通常发射信号是信噪比较高的规则波形(方波或正弦波等)，发送时刻易确定，而由于超声传播路径上的噪声干扰，信号到达时并非规则波形。因此信号到达时刻定位困难，T和T′之间总会存在一定的偏差，因此给超声回波传播时间测量造成一定的困难。

在现有技术中，可以采用基波与信号做相关运算得到超声回波到达时间，所用的基波信号是预先存储的。但是，不同流速下流体流态存在差异。流速较小时流体质点只沿流动方向作一维运动，表现为分层流动称为层流。当流速较大时，流体会出现其他非流动方向上的随机运动，表现为紊乱流动称为湍流。由于流速影响，超声回波信号波形可能会发生变化，使用在某一流速下获得的固定基波信号来计算动态超声信号的传播时间，往往结果误差很大。

此外还有一种门限法确定信号到达时间，当超声回波信号幅值超过设定阈值并检测到波形特征点时(过零点)认为回波信号到达，修正后得到到达时刻，如图1中的T′对应的到达时刻。门限法的显著缺点是：由于管道中介质流速、温度和压力等参数变化，信号波动较大，噪声信号叠加到声波中容易产生误触发或者不触发，导致测量偏差较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种在超声流量计中超声波传播时间测量方法，能够提高超声波传播时间的测量精度。

该方法是这样实现的：

一种流体中超声波传播时间测量方法，换能器发射端发射超声波信号，换能器接收端接收超声回波信号；包括：

步骤1、将流体的流速范围划分为m个流速分布区间V₁，V₂，…，V_m，为每个流速分布区间设置一个对应的用于进行相关运算的基波信号，因此有m个基波信号R₁，R₂，…，R_m，所有基波信号的初始值均为零，m为正整数；流体处于静态时，提取基波信号并存储为静态基波信号R₀；超声波传播时间包括顺流传播时间和逆流传播时间，顺流和逆流的传播时间分别测量，对应于划分的m个流速分布区间，顺流和逆流各自存储m个基波信号；

步骤2、动态测量开始后，执行一次顺流测量和一次逆流测量，在顺流测量中使用为顺流测量存储的m个基波信号，在逆流测量中使用为逆流测量存储的m个基波信号；顺流测量和逆流测量的过程相同，包括如下步骤3～6；

步骤3、先将当前流速下超声回波信号S(t)与静态基波信号R₀作互相关运算，得到当前流速下的超声传播时间T₁；用得到的超声传播时间T₁进行流速估计，得到估计流速v₁；

步骤4、确定估计流速v₁所处的流速分布区间V_i，在各基波信号中搜索V_i对应的基波信号R_i，如果该基波信号R_i为零，则执行步骤5；否则，执行步骤6；

步骤5、针对当前流速下超声回波信号S(t)，提取基波信号，将基波信号R_i更新为提取的基波信号；然后利用当前流速下超声回波信号S(t)与更新后的基波信号R_i进行互相关运算，根据互相关运算峰值得到超声传播时间T₂，T₂取代T₁作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成；

步骤6、将当前流速下超声回波信号S(t)与基波信号R_i作互相关运算，得到超声传播时间T₃，T₃取代T₁作为当前流速下超声传播时间，单次测量完成。

较佳地，所述基波信号的提取过程为：

a.依据超声波在管径中的声程L和流体中超声波传播速度C0，估计回波信号到达时间t_s；