本发明属于仪表智能控制技术领域,具体涉及一种超声波换能器传输时间校准方法。
背景技术：
通过“时差法”原理设计的超声波燃气表，通过对超声波信号放大和转换，对得到的飞行时间进行数学计算，进行流量计算的方法依赖于信号的准确判断和时间精度的保证。
由于超声波信号在气体中衰减较大，且信号较小，波形中混有较多噪声，因此通常情况下无法直接通过过零比较获取精确的超声波信号接收波形的首波时间，往往需要通过一个较高的比较电平获得计时使能信号，在得到计时使能信号后再通过过零比较得到后续相应的过零点时间。
通常通过将获得的多个过零时间点(通常为3-10个)进行平均，得到相应的时间值，代入公式中计算。但是由于超声波换能器的传输时间会随时间、温度、压力、气体介质以及换能器自身频率变化而改变。因此，按照以上方法计算得到气体流速存在一定的误差，对超声计量精度影响较大。
技术实现要素：
由于超声波信号在气体中衰减较大且噪声较多，超声波信号容易受到干扰，因此传统方案无法通过阀值法测得超声波信号第一波，需要在信号值明显高于噪声电平时进行阀值比较，从而获得超声波信号传输时间。当超声波信号在使用过程中由于温度、压力、使用时间、换能器自身频率等因素的变化导致换能器传输时间精度发生变化时，由于传统方案采集到超声波传输时间并非信号第一波传输时间，因此存在较大误差。本发明提供一种超声波换能器传输时间校准方法。
一种超声波换能器传输时间校准方法，具体步骤如下：
步骤(1).简化气体流速计算公式；
通过激发一端超声波换能器，在另一端接收声波信号，电路获得第一个飞行时间t1，同样，反向激发超声波换能器并接收到信号，得到第二个飞行时间t2。在流体介质流速的影响下，两个飞行时间存在时间差δt，根据推算可以得出气体流速u和时间差δt之间的换算关系，进而可以得到流量值。
d＝lsinα
因为c2＞＞u2cos2α，所以：
将
式中，c表示超声波传播速度，l表示换能器传输距离，d表示换能器相对于气体流动方向的垂直距离；
步骤(2).计算超声波信号的平均周期值；
过零比较获得的时间点为t1，t2，……，tn；将获得的时间点逐次相减，获得当次测量中超声波信号的n-1个周期值。
周期值∈(tn-tn-1)，(tn-1-tn-2)，…，(t2-t1)
将获得的当次测量中超声波信号的n-1个周期值进行平均计算，得到当次测量的超声波信号的平均周期值，公式如下：
t1与t2分别对应一组时间点，分别获得t1与t2对应的周期数与平均周期值。所述的周期数为t1与t2对应时间点的下标
步骤(3).对t1与t2进行处理，获得准确的气体流速
t1′＝t1-周期数×平均周期值
t2′＝t2-周期数×平均周期值
将处理后的t1′与t2′代入步骤(1)简化后的气体流速计算公式中，获得准确的气体流速。
本发明有益效果如下：
通过该方法可以将采集到的超声波信号传输时间推算为第一波到达的时间，从而使表具计算出的气体流速误差不再受时间、温度、压力、气体介质以及换能器自身频率变化影响。
附图说明
图1为时差法计量原理图；
图2为超声波信号接收波形图。
具体实施方式
下面结合附图对发明进行进一步的说明：
如图1所示，本发明的传输时间校准方法，具体步骤如下：
步骤(1).简化气体流速计算公式；
通过激发一端超声波换能器，在另一端接收声波信号，电路获得第一个飞行时间t1，同样，反向激发超声波换能器并接收到信号，得到第二个飞行时间t2。在流体介质流速的影响下，两个飞行时间存在时间差δt，根据推算可以得出气体流速u和时间差δt之间的换算关系，进而可以得到流量值。
d＝lsinα
因为c2＞＞u2cos2α，所以：
将
式中，c表示超声波传播速度，l表示换能器传输距离，d表示换能器相对于气体流动方向的垂直距离；
步骤(2).计算超声波信号的平均周期值；
过零比较获得的时间点为t1，t2，……，tn；将获得的时间点逐次相减，获得当次测量中超声波信号的n-1个周期值。
周期值∈(tn-tn-1)，(tn-1-tn-2)，…，(t2-t1)
将获得的当次测量中超声波信号的n-1个周期值进行平均计算，得到当次测量的超声波信号的平均周期值，公式如下：
t1与t2分别对应一组时间点，分别获得t1与t2对应的周期数与平均周期值。所述的周期数为t1与t2对应时间点的下标
步骤(3).对t1与t2进行处理，获得准确的气体流速
t1′＝t1-周期数×平均周期值
t2′＝t2-周期数×平均周期值
将处理后的t1′与t2′代入步骤(1)简化后的气体流速计算公式中，获得准确的气体流速。
图2为超声波信号接收波形图，其中，comparatoroffset为比较器阀值，zerocrossing为超声波信号过零点。
1.一种超声波换能器传输时间校准方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤(1).简化气体流速计算公式；
通过激发一端超声波换能器，在另一端接收声波信号，电路获得第一个飞行时间t1，同样，反向激发超声波换能器并接收到信号，得到第二个飞行时间t2；在流体介质流速的影响下，两个飞行时间存在时间差δt，根据推算可以得出气体流速u和时间差δt之间的换算关系，进而可以得到流量值；
d＝lsinα
因为c2＞＞u2cos2α，所以：
将
式中，c表示超声波传播速度，l表示换能器传输距离，d表示换能器相对于气体流动方向的垂直距离；
步骤(2).计算超声波信号的平均周期值；
过零比较获得的时间点为t1，t2，……，tn；将获得的时间点逐次相减，获得当次测量中超声波信号的n-1个周期值；
周期值∈(tn-tn-1)，(tn-1-tn-2)，…，(t2-t1)
将获得的当次测量中超声波信号的n-1个周期值进行平均计算，得到当次测量的超声波信号的平均周期值，公式如下：
t1与t2分别对应一组时间点，分别获得t1与t2对应的周期数与平均周期值；所述的周期数为t1与t2对应时间点的下标
步骤(3).对t1与t2进行处理，获得准确的气体流速
t1′＝t1-周期数×平均周期值
t2′＝t2-周期数×平均周期值
将处理后的t1′与t2′代入步骤(1)简化后的气体流速计算公式中，获得准确的气体流速。
技术总结