[发明专利]测量管道内超声波飞行时间的系统及方法

说明书

本发明提供了一种测量管道内超声波飞行时间的系统及方法，系统包括：微控制器模块、超声波飞行时间测量模块、超声波驱动升压模块、回波信号A/D转换模块及超声波传感器，所述超声波飞行时间测量模块包括超声波模拟前端及时间‑数字转换器；测量第一阶段：根据回波信号调整超声波模拟前端的放大增益至重新发送及接收超声波后所读取的数字信号的n个峰值均大于预设阈值，n为正整数；测量第二阶段：通过时间‑数字转换器对发送超声波和接收回波的计时，得到超声波飞行时间。该系统及方法可以实现自动调节增益，从而适应不同的管道流体中超声波飞行时间的测量。

技术领域

本发明涉及超声波测量技术领域，特别涉及一种测量管道内超声波飞行时间的系统及方法。

背景技术

超声波传感器产生超声波的原理：发射探头中含有压电材料、压电材料在接收到电脉冲激励时会产生震动，震动便产生了超声波，即发射探头的作用是将电能转换成了声能。超声波的接收原理是，当接收探头中的压电材料在接收到超声波时，会产生电压，即将声能转换成了电能，而接受到的就电能非常方便的做下一步处理。即压电材料在受到电信号的作用时会产生超声波、反之当压电材料受到超声波的作用时又会产生电信号。

超声波测量管道内流体压力与流量具有精度高、非接触性、不破坏流体等优势。超声波测量管道内流体压力与流量的关键是测量超声波在管道内流体中的传播速度。如图1所示，测量超声波在管道内(管道内直径为L)流体中的飞行时间分两种情况，一种是通过超声波传感器I、II测量超声波与流体方向的相同的飞行时间，测量超声波与流体方向的相反的飞行时间。通过超声波传感器III测量垂直路径下超声波的飞行时间。

超声波的传播会受到供流体管道内流体的流向的影响，如果超声波的传播方向与流体流的方向一致时，其传播速度要快于超声波传播方向与流体流方向相反时的速度。利用这两个速度的差值，结合其它物理参量便可计算出流体的流速，进而计算出流体的流量。

超声波的传播还会因管道内流体的压力的不同而受到影响，有研究证实，在相同情况下，流体压越高，超声波在流体中的传播速度越快，结合其它物理参量，通过超声波在管道流体中的传播速度便可计算出管道中流体压力。

超声波在介质中传播时，其能量会随传播距离的增加而减弱，这种现象被称为超声波的衰减，超声波的衰减有散射衰减、扩散衰减、介质吸收引起的衰减等等，无论是哪一种衰减，都会导致超声波信号在介质中传播一段距离到达接收传感器时，接收传感器产生的电信号都会极其微小，需要对微小的电信号进行放大才能进行后续处理。

生产与生活中运输流体的管道直径不尽相同，从而超声波在管道的传播路径与传播产生的衰减也不会相同，所以，采用固定增益测量超声波飞行时间的方式是不科学的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量管道内超声波飞行时间的系统及方法，以解决现有的超声波飞行时间的测量方式无法适应不同管道传播的超声波衰减不同从而导致的测量过程需要人工调整所造成不易测量的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种测量管道内超声波飞行时间的系统，包括：

微控制器模块、超声波飞行时间测量模块、超声波驱动升压模块、回波信号A/D转换模块及超声波传感器，所述超声波飞行时间测量模块包括超声波模拟前端及时间-数字转换器；

测量第一阶段：所述微控制器模块发出SPI指令至所述超声波模拟前端使其发出第一激励脉冲，所述超声波驱动升压模块将所述第一激励脉冲升压后发送至超声波传感器以发出第一超声波；接收经介质传输的第一超声波时，超声波传感器将接收的超声波转换为电信号，再由所述超声波模拟前端放大后送入所述回波信号A/D转换模块以得到数字信号，所述微控制器模块读取所述数字信号并提取n个峰值，若大于预设阈值的峰值小于n，则所述微控制器模块控制所述超声波模拟前端调整放大增益至重新发送及接收超声波后所读取的数字信号的n个峰值均大于预设阈值，n为正整数；