[发明专利]一种超声波测速方法及装置

说明书

本发明提供了一种超声波测速方法及装置，属于超声波测速技术领域。根据换能器的幅频特性，选择多个工作频点，由MCU生成相应的PWM作为换能器的激励，在流道上下游各设置一个换能器，相互发射和接收超声波信号，MCU根据接收的顺逆流超声波信号，计算出各自的相位，并求出顺逆流信号的相位差，依次计算出超声波在流道中传播所用的时间，根据该时间，结合流道的参数等计算出流速。采用本发明，计算量少且对MCU的要求低，节省成本。

技术领域

本发明涉及一种超声波测速方法及装置，属于超声波测速技术领域。

背景技术

超声波流体测量的原理为：超声波信号在流体中传播时，会受到流体(气体或液体)的调制作用，使得信号的幅值、传播速度等特性发生改变，可通过不同的信号处理方法对接收到的信号进行处理，从而得到流体的流速信息，最终实现对流体的精确计量。

现有的超声波测速技术，根据测量的原理不同，可分为波束偏移法、相关法、多普勒效应法等。

1、波束偏移法

其测量原理如图1所示，换能器1和换能器2的距离要等于换能器1和换能器3的距离。换能器1沿垂直流道轴线的方向发射超声波，当流体静止时，换能器2和换能器3接收到的信号强度相同；当流体流速不为0时，换能器2和换能器3接收到的信号强度会随流速的改变而发生改变，通过测量换能器2和换能器3接收到的超声波的能量差，可实现流速的测量。

波束偏移法的不足之处：受换能器灵敏度、信号强度的影响比较大，适应范围小，尤其在低流速时，测量效果差。

2、相关法

该检测方法主要利用互相关函数计算信号的时间延迟，假设顺流接收到的信号为x(t),逆流接收到的信号为y(t),对它们进行互相关运算：

当R_xy(τ)取最大值时，最大值对应的τ即为信号x(t)和y(t)之间的时延。

该方法的优点是：抗干扰能力较强；不足之处是：计算量大，对一般的MCU来说，计算延迟大，功耗高。

3、多普勒效应法

其测量原理如图2所示，通过换能器1发出一组频率为f的超声波信号，该信号在穿过流体时，会与流体中的介质(固体颗粒或气泡等)产生相对运动，该相对运动将导致超声波信号产生散射现象，此时换能器2接收到的散射信号，其频率为f1。发射频率f，接收频率f1以及流体流速v之间存在以下关系；

其中c为超声波在流体的传播速度；θ为发射信号与接收信号的夹角。

该方法的不足之处为：1)要求流体中必须有固体颗粒或气泡等；2)应用范围受限,不能用于气体计量；3)要求流体中的颗粒或气泡要保持良好的均匀性，否则带来的误差波动会很大。

综上，目前计算超声波流道中流速时采用的方法局限性大且计算复杂，对MCU的要求高，成本大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声波测速方法及装置，用于解决在测量流道中的流体流速时计算量大的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了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，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；