[发明专利]一种超声波测速方法及装置

权利要求书

1.一种超声波测速方法，采用两个换能器进行测速，分别为安装在流道上游的第一换能器和安装在流道下游的第二换能器，其特征在于，所述超声波测速方法包括如下步骤：

1)根据换能器的幅频特性，选择至少两个工作频点fi；

2)生成对应各工作频点fi的PWM波，将相同的PWM波作为第一换能器和第二换能器的激励信号；

3)在激励信号的作用下，第一换能器发射超声波，由第二换能器接收，得到顺流波形；第二换能器发射超声波，由第一换能器接收，得到逆流波形；

4)计算顺流波形相位和逆流波形相位，将顺流波形相位与逆流波形相位的差值作为顺逆流波形相位差；

5)根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差；

6)重复步骤3)～5)，得到对应各工作频点fi的顺逆流时差；

7)根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速。

2.根据权利要求1所述的超声波测速方法，其特征在于，步骤4)中，计算顺流波形相位和逆流波形相位的方法包括如下步骤：

1)对顺流波形和逆流波形对应的顺流信号和逆流信号进行递归运算，递归运算的公式为：

式中，x(n)为对应顺流波形或逆流波形的信号序列；n＝0，1，2，3，…,N-1；N为采样点数；Q_k(n)为递推中间量，取初始值Round表示取整；fs为采样频率；

2)对递推中间量Q_k(n)进行非递归运算，非递归运算的公式为：

式中，y_k(n)为非递推中间量，e为自然对数，j为虚数符号；

3)根据如下公式计算n＝N-1时对应工作频点fi的顺流信号和逆流信号的幅频信息：

式中，X(k)为对应x(n)的幅频信息；

4)根据如下公式计算顺流波形相位和逆流波形相位：

式中，a为X(k)的实部，b为X(k)的虚部，为对应的顺流波形相位或逆流波形相位。

3.根据权利要求2所述的超声波测速方法，其特征在于，根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差的公式为：

式中，Δt(n)为顺逆流时差，T为对应工作频点fi的的周期；为顺逆流波形相位差。

4.根据权利要求3所述的超声波测速方法，其特征在于，根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速v的公式为：

式中，c为流体中的声速，L为超声波传播距离，θ为超声波传播路径相对于流道的传播角度。

5.根据权利要求1所述的超声波测速方法，其特征在于，步骤7)中，对得到的各顺逆流时差进行均值滤波，然后采用时差法计算流道中流体的流速。

6.一种超声波测速装置，其特征在于，包括MCU和分别为安装在流道上游的第一换能器和安装在流道下游的第二换能器，还包括模拟开关，MCU通过发送放大电路和接收放大电路连接模拟开关，模拟开关连接第一换能器和第二换能器，MCU还控制连接模拟开关；所述MCU执行指令实现如下超声波测速方法，所述超声波测速方法包括如下步骤：

1)生成对应各工作频点fi的PWM波，将相同的PWM波作为第一换能器和第二换能器的激励信号；

2)控制模拟开关，激励第一换能器产生超声波信号，接收第二换能器接收到的超声波信号，得到顺流波形；激励第二换能器产生超声波信号，接收第一换能器接收到的超声波信号，得到逆流波形；

3)计算顺流波形相位和逆流波形相位，将顺流波形相位与逆流波形相位的差值作为顺逆流波形相位差；

4)根据顺逆流波形相位差计算顺逆流时差；

5)重复步骤2)～4)，得到对应各工作频点fi的顺逆流时差；

6)根据顺逆流时差，采用时差法计算流道中流体的流速。