本發(fā)明涉及超聲流量測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于回波能量計(jì)算超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的方法。

背景技術(shù)：

時(shí)差法超聲流量計(jì)工作原理如圖1所示，它是根據(jù)介質(zhì)流速與超聲波在介質(zhì)中順、逆?zhèn)鞑r(shí)產(chǎn)生的時(shí)間差存在一定的線性關(guān)系原理進(jìn)行測(cè)量的，只要準(zhǔn)確測(cè)量順逆流時(shí)間差,再根據(jù)流速與其線性關(guān)系求出流速，進(jìn)而可以求出瞬時(shí)流量以及累積流量。

圖1中，S₁，S₂分別為2個(gè)超聲波換能器，V為液體流速，D為管道直徑，L為超聲波的聲程，θ為超聲波進(jìn)入液體的入射角。t₁為換能器S₁發(fā)射、S₂接收時(shí)，超聲波在管道中傳播時(shí)間，即順流時(shí)間；t₂為換能器S₂發(fā)射、S₁接收時(shí)，超聲波在管道中傳播時(shí)間,即逆流時(shí)間。

超聲流量計(jì)順流傳播時(shí)間t₁和逆流傳播時(shí)間t₂分別用下式計(jì)算，即：

式中,C為超聲波信號(hào)在水中的聲速，設(shè)ΔT為順逆流時(shí)間差，則：

由于超聲波在流體中傳播的速度C遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)流體的實(shí)際流速V，即C²>>V²，所以(3)式可以簡(jiǎn)化為：

這里，超聲波流量計(jì)測(cè)得的V是沿聲道上的流體的線平均流速，而進(jìn)行流量計(jì)算時(shí)需要的是截面平均流速，所以我們要將線平均速度V乘以流體修正系數(shù)k最后再乘以管道的截面積S便可求出瞬時(shí)流量Q。其公式如下：

Q＝S·kV＝(πD²/4)kV。

目前，一般采用對(duì)超聲波換能器接收到的回波信號(hào)進(jìn)行采樣，獲取整個(gè)回波波形的采樣值，如圖2所示，回波信號(hào)中，Y軸為信號(hào)幅值，X軸為信號(hào)坐標(biāo)。根據(jù)回波波形采樣值中的最大值x_max確定回波波形中的最高峰w_h。由于現(xiàn)有算法通過(guò)超聲波換能器接收到的回波信號(hào)的采樣值的最大值x_max尋找到最高峰w_h，而往往超聲波換能器接收到的回波的最高峰w_h相鄰幾個(gè)周期內(nèi)的回波的幅值最大值都很接近，如圖4所示。圖4中回波w_h1和w₄的幅值最大值很接近，在超聲波流量管道中有流量的情況下，很容易判斷錯(cuò)誤最高峰，從而導(dǎo)致根據(jù)最高峰計(jì)算出的過(guò)零點(diǎn)可能存在一個(gè)周期或幾個(gè)周期的誤差，使計(jì)算出的傳播時(shí)間存在一個(gè)周期或幾個(gè)周期的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種基于回波能量計(jì)算超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的方法，其提高超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性，減少測(cè)量誤差。

本發(fā)明的目的是采用下述方案實(shí)現(xiàn)的：一種基于回波能量計(jì)算超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的方法，超聲波換能器發(fā)射端發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波換能器接收端接收超聲回波信號(hào)，超聲波傳播時(shí)間的計(jì)算方法包括如下步驟：

1)找到超聲波換能器接收端接收到的回波信號(hào)采樣值內(nèi)的回波幅值最大點(diǎn)；

2)分別求取該回波幅值最大點(diǎn)所處周期內(nèi)的回波的能量以及與該回波幅值最大點(diǎn)所處周期相近的幾個(gè)周期內(nèi)的回波的能量，確定回波能量最大值E_max；

3)將步驟2)確定的回波能量最大值E_max所對(duì)應(yīng)的周期內(nèi)的回波作為最高峰w_h，計(jì)算得出該最高峰w_h的過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間t₀，根據(jù)公式T＝t₀+t'即可求出超聲波傳播時(shí)間T，式中，t'為一個(gè)與超聲波流量計(jì)相關(guān)的固定值。

各個(gè)周期內(nèi)的回波的能量為該周期內(nèi)的所有采樣點(diǎn)的幅值相加的總和。

在最高峰w_h中，如果相鄰兩采樣點(diǎn)的幅值極性相反時(shí)則進(jìn)行線性插值運(yùn)算，計(jì)算出最高峰w_h的信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間t₀。

在零流量的情況下計(jì)算t'：當(dāng)超聲波流量計(jì)管道中的流體靜止時(shí)通過(guò)測(cè)量聲道的長(zhǎng)度以及根據(jù)此時(shí)的聲速計(jì)算出此時(shí)準(zhǔn)確的傳播時(shí)間T₀，同時(shí)計(jì)算出零流速下的過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間t'₀，則t'＝t'₀-T₀。

步驟2)分別求取該回波幅值最大點(diǎn)所處周期內(nèi)的回波的能量以及與該回波幅值最大點(diǎn)所處周期相近的前后各兩個(gè)或三個(gè)相鄰周期內(nèi)的回波的能量，確定回波能量最大值E_max。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)是：本發(fā)明通過(guò)超聲波換能器接收到的回波信號(hào)的采樣值的最大值先尋找到w_h1，計(jì)算w_h1以及其附近幾個(gè)周期的回波的能量，然后根據(jù)回波的最大能量尋找到最高峰w_h，最后通過(guò)線性插值尋找過(guò)零點(diǎn)，這樣避免了避免了因?qū)ふ一夭ㄗ罡叻邋e(cuò)誤，而導(dǎo)致計(jì)算出的傳播時(shí)間出現(xiàn)一個(gè)周期或幾個(gè)周期的偏差，提高了傳播時(shí)間的測(cè)量準(zhǔn)確度。

附圖說(shuō)明

圖1為時(shí)差法超流量計(jì)的原理示意圖；

圖2為回波信號(hào)的示意圖；

圖3為本發(fā)明的方法流程圖；

圖4為回波信號(hào)與其回波能量的示意圖；

圖5為線性插值計(jì)算過(guò)零點(diǎn)t₀的原理示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

參見(jiàn)3至圖5，一種基于回波能量計(jì)算超聲波流量計(jì)傳播時(shí)間的方法，超聲波換能器發(fā)射端發(fā)射超聲波信號(hào)，超聲波換能器接收端接收超聲回波信號(hào)，超聲波傳播時(shí)間的計(jì)算方法包括如下步驟：

1)找到超聲波換能器接收端接收到的回波信號(hào)采樣值內(nèi)的回波幅值最大點(diǎn)x_max；

2)分別求取該回波幅值最大點(diǎn)x_max所處周期內(nèi)的回波w_h1的能量以及與該回波幅值最大點(diǎn)所處周期相近的幾個(gè)周期內(nèi)的回波的能量，確定上述周期內(nèi)的回波中的回波能量最大值E_max。本發(fā)明一般分別求取包括回波w_h1在內(nèi)的多個(gè)相鄰周期內(nèi)的回波的能量。優(yōu)選地，該步驟分別求取該回波幅值最大點(diǎn)所處周期內(nèi)的回波的能量以及與該回波幅值最大點(diǎn)所處周期相近的前后各兩個(gè)或三個(gè)相鄰周期內(nèi)的回波的能量，確定回波能量最大值E_max。如本實(shí)施例分別求取包括回波w_h1在內(nèi)的五個(gè)相鄰周期內(nèi)的回波w₁、w₂、w_h1、w₄、w₅的能量E₁、E₂、E_h1、E₄、E₅。各個(gè)周期內(nèi)的回波的能量為該周期內(nèi)的所有采樣點(diǎn)的幅值相加的總和。如回波能量E_i由下式計(jì)算：E_i＝x_i+x_i+1+…+x_i+n，式中，i為回波w_i的坐標(biāo)起始點(diǎn)，n為回波一個(gè)周期采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，x_i為回波幅值?；夭╳₁、w₂位于回波w_h1前，回波w₄、w₅位于回波w_h1后。本實(shí)施例中回波w₄的能量E₄最大。

3)將步驟2)確定的回波能量最大值E_max所對(duì)應(yīng)的周期內(nèi)的回波作為最高峰w_h。本實(shí)施例的回波w₄為最高峰w_h。然后計(jì)算得出該最高峰w_h的第一個(gè)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間t₀，根據(jù)公式T＝t₀+t'即可求出超聲波傳播時(shí)間T，式中，t'為一個(gè)固定的值。在最高峰w_h中，如果第n點(diǎn)的幅值x_n與第n+1點(diǎn)的幅值x_n+1極性相反即相鄰兩采樣點(diǎn)的幅值極性相反時(shí)則進(jìn)行線性插值運(yùn)算，計(jì)算出最高峰w_h的信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間t₀。將計(jì)算出的回波信號(hào)坐標(biāo)x_{過(guò)零點(diǎn)}作為信號(hào)過(guò)零點(diǎn)時(shí)間t₀，如圖5所示，線性插值計(jì)算的過(guò)零點(diǎn)時(shí)間t₀：

本實(shí)施例t'為一個(gè)與超聲波流量計(jì)相關(guān)的固定值。在零流量的情況下計(jì)算t'：當(dāng)超聲波流量計(jì)管道中的流體靜止時(shí)通過(guò)測(cè)量聲道的長(zhǎng)度以及根據(jù)此時(shí)的聲速計(jì)算出此時(shí)準(zhǔn)確的傳播時(shí)間T₀，同時(shí)計(jì)算出零流速下的過(guò)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間t'₀，則t'＝t'₀-T₀。

本發(fā)明通過(guò)上述方法求取的順流時(shí)間t₁和逆流時(shí)間t₂具有較高的精確度，能夠滿足超聲波流量計(jì)的測(cè)量要求。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并不用于限制本發(fā)明，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。