[发明专利]一种超声波气体流量计及其流量测量方法

权利要求书

1.一种超声波气体流量计，其特征在于，包括流体输送管道(1)以及安装在管道(1)上的法兰(2)、顺流方向超声波换能器发送信号端(3)，顺流方向超声波换能器接收信号端(4)、逆流方向超声波换能器发送信号端(5)和逆流方向超声波换能器接收信号端(6)；还包括有MCU芯片(9)，所述MCU芯片(9)连接有电源(8)、用户按键设置模块(10)、温度补偿模块(11)、压力补偿模块(12)、液晶显示(13)、串口和无线通信模块(14)以及用以标记流体累计流量的脉冲输出和标准4～20mA输出模块(15)；所述顺流方向超声波换能器接收信号端(4)和逆流方向超声波换能器接收信号端(6)分别通过精细可调自动增益放大电路(7)与MCU芯片(9)连接；所述电源(8)还连接至精细可调自动增益放大电路(7)。

2.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述顺流方向超声波换能器发送信号端(3)、顺流方向超声波换能器接收信号端(4)、逆流方向超声波换能器发送信号端(5)以及逆流方向超声波换能器接收信号端(6)呈x型分布安装，各信号端的轴线分别与流体输送管道(1)的轴线夹角为45°。

3.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述精细可调自动增益放大电路(7)分为三级：第一级是对微弱超声波回波信号幅值进行粗略调节的程控放大，第二、三级是实现对增益的精细调节的DAC放大电路，通过PID控制算法自动调整每一级放大电路的放大倍数，使回波信号的幅值能够处于所设定的幅值范围内。

4.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述MCU芯片(9)的型号为STM320F446。

5.根据权利要求1所述的超声波气体流量计，其特征在于，所述温度补偿模块(11)和压力补偿模块(12)在校准超声波气体流量计时，通过采集实时的温度和压力对流量测量进行补偿。

6.一种基于权利要求3-5任意一项所述超声波气体流量计的流量测量方法，其特征在于，利用MCU芯片(9)内部的ADC模块采集经过放大后的两路顺、逆流方向超声波回波信号，使用超声波传播时间测量算法，对超声波回波信号到达时间进行判定，确定两路回波信号到达的时间；利用顺、逆流超声波信号传播时间之差计算流体的流速，进而得到流体的体积流量。

7.根据权利要求6所述的流量测量方法，其特征在于，所述超声波传播时间测量算法具体为：

以顺流方向超声波回波信号传播时间t₁的测量进行说明：将采集到的顺流方向离散超声波回波信号为X₁(k)，首先，初始化参数，阈值T，窗口宽度WID，数据长度n；然后，从k＝0开始进行搜索，当X₁(k)＞T时，在k到k+WID的窗口范围内搜索回波信号的最大值点，并记下最大值点的时间，这是搜索到的超声波回波信号第一个有效极值点，根据此方法进行搜索，直到当k＞n-WID-1时，停止搜索，得到回波信号的所有有效极值点，选取第三个有效极值点p₁所对应的时间t₁作为顺流方向超声波传播时间，t₁＝p₁×T_s，其中，T_s为采样时间；

对逆流方向超声波回波信号的处理同所述顺流方向超声波信号处理方法相同。