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专利号: 2021103168201
申请人: 天津商业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2023-12-11
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种多频阵列超声波流量计,其特征在于,包括第一多频阵列超声波换能器(100)和第二多频阵列超声波换能器(200);

其中,第一多频阵列超声波换能器(100)和第二多频阵列超声波换能器(200),分别密封安装在一个超声波流量计管体(1)上下两侧的预设开孔中;

超声波流量计管体(1)内,具有横向流动的介质;

其中,第一多频阵列超声波换能器(100)和第二多频阵列超声波换能器(200),两者为中心对称;

其中,第一多频阵列超声波换能器(100),包括第一主换能器(101)、第二主换能器(102)和第三主换能器(103);

第二多频阵列超声波换能器(200),包括第一次换能器(201)、第二次换能器(202)和第三次换能器(203);

其中,多频阵列超声波流量计包括测量电路,该测量电路包括频率F1激励波发生器、频率F2激励波发生器、频率F3脉冲波发生器、正弦调制波发生器、第一乘法调制模块、第二乘法调制模块、时差法处理电路模块、第一相差法处理电路模块、第二相差法处理电路模块和CPU模块;

其中,第一乘法调制模块,分别与第二主换能器(102)、频率F1激励波发生器和正弦调制波发生器相连接;

第二乘法调制模块,分别与第三次换能器(203)、频率F2激励波发生器和正弦调制波发生器相连接;

其中,正弦调制波发生器,用于生成正弦调制波;

频率F1激励波发生器和频率F2激励波发生器,分别用于生成载波;

第一乘法调制模块,用于将正弦调制波发生器生成的正弦调制波,以及频率F1激励波发生器生成的载波,执行预设的乘法操作,获得正弦波调制幅值的激励波形,即获得载波频率为F1的连续调幅超声波信号,然后用来激励第二主换能器(102),即实现连续调幅波激励;

第二主换能器(102),作为超声波发射换能器,用于将载波频率为F1的连续调幅超声波信号作为第二超声波发射信号,向第二次换能器(202)发射;

第二次换能器(202),作为超声波接收换能器,用于接收第二主换能器(102)发射的载波频率为F1的连续调幅超声波信号,然后作为第二超声波接收信号,输出给第二相差法处理电路模块;

第二乘法调制模块,用于将正弦调制波发生器生成的正弦调制波,以及频率F2激励波发生器生成的载波,执行预设的乘法操作,获得正弦波调制幅值的激励波形,即获得载波频率为F2的连续调幅超声波信号,然后用来激励第三次换能器(203),即实现连续调幅波激励;

第三次换能器(203),作为超声波发射换能器,用于将载波频率为F2的连续调幅超声波信号作为第一超声波发射信号,向第三主换能器(103)发射;

第三主换能器(103),作为超声波接收换能器,用于接收第三次换能器(203)发射的载波频率为F2的连续调幅超声波信号,然后作为第一超声波接收信号输出给第一相差法处理电路模块;

其中,频率F3脉冲波发生器,分别与第一主换能器(101)和第一次换能器(201)相连接,用于通过脉冲波,交替地激励第一主换能器(101)和第一次换能器(201);

其中,时差法处理电路模块,分别与第一主换能器(101)和第一次换能器(201)相连接,用于对第一主换能器(101)和第一次换能器(201)在激励后输出的超声波进行预设时差法处理操作,然后再将经过预设时差处理操作的超声波,输出给CPU模块;

第一相差法处理电路模块,与第三主换能器(103)相连接,用于对第三主换能器(103)输出的第一超声波接收信号进行预设相差法处理操作,然后输出给CPU模块;

第二相差法处理电路模块,与第二次换能器(202)相连接,用于对第二次换能器(202)输出的第二超声波接收信号进行预设相差法处理操作,然后输出给CPU模块;

CPU模块,分别与时差法处理电路模块、第一相差法处理电路模块和第二相差法处理电路模块相连接,用于根据预设的时差法计算公式,计算得到流体的流速。

2.如权利要求1所述的多频阵列超声波流量计,其特征在于,CPU模块,具体功能如下:第一,用于接收所述时差法处理电路模块发来的经过预设时差处理操作的超声波,然后应用时差法进行计算,获得超声波飞行时间的时差法测量值;第二,用于对第一相差法处理电路模块和第二相差法处理电路模块的输出信号,分别测量其与第一超声波发射激励信号和第二超声波发射激励信号的时间差,获得超声波飞行时间的相差法测量值;第三,在获得超声波飞行时间的时差法测量值和相差法测量值之后,根据预设的处理规则对时差法测量的超声波顺程和逆程飞行时间进行调整,在调整后,根据调整后时差法测量的超声波顺程和逆程飞行时间以及预设的时差法计算公式,计算得到介质的流速;

其中,超声波飞行时间的时差法测量值,包括时差法测量的超声波顺程飞行时间和逆程飞行时间;

超声波飞行时间的相差法测量值,包括相差法测量的超声波顺程和逆程飞行时间;

其中,第一超声波发射激励信号,是CPU模块产生的用于驱动第三次换能器(203)发射第一超声波发射信号的激励信号;

其中,第二超声波发射激励信号,是CPU模块产生的用于驱动第二主换能器(102)发射第二超声波发射信号的激励信号。

3.如权利要求2所述的多频阵列超声波流量计,其特征在于,对于CPU模块,根据预设的处理规则对时差法测量的超声波顺程和逆程飞行时间进行调整,具体包括以下操作:根据预设的处理规则,对时差法测量的超声波顺程时间和逆程飞行时间进行调整,直到时差法测量的超声波顺程飞行时间与相差法测量的超声波顺程时间的差值小于一个脉冲波周期T,以及直到时差法测量的超声波逆程飞行时间与相差法测量的超声波逆程时间的差值小于一个脉冲波周期T,然后,根据调整后的时差法测量的超声波顺程和逆程飞行时间以及预设的时差法计算公式,计算获得介质的流速;

其中,脉冲波周期T即频率F3脉冲波发生器生成的脉冲波的周期;

其中,预设的处理规则,具体如下:

判断时差法测量的超声波顺程飞行时间与相差法测量的超声波顺程时间的差值是否大于一个脉冲波周期T,如果大于,则将时差法测量的超声波顺程飞行时间减去至少一个脉冲波周期T,直到时差法测量的超声波顺程飞行时间与相差法测量的超声波顺程时间的差值小于一个脉冲波周期T;

以及,判断时差法测量的超声波逆程飞行时间与相差法测量的超声波逆程时间的差值是否大于一个脉冲波周期T,如果大于,则将时差法测量的超声波逆程飞行时间减去至少一个脉冲波周期T,直到时差法测量的超声波逆程飞行时间与相差法测量的超声波逆程时间的差值小于一个脉冲波周期T。

4.如权利要求1所述的多频阵列超声波流量计,其特征在于,第一乘法调制模块与第二乘法调制模块所执行的预设的乘法操作,即是乘法调制,用正弦调制波发生器生成的正弦调制波,去分别控制频率F1激励波发生器生成的载波和频率F2激励波发生器生成的载波的振幅,使其随调制信号线性变化,实现的方法是:将载波与正弦调制波通过乘法器电路相乘,相乘后输出的即为正弦波调制幅值的激励波形。

5.如权利要求1所述的多频阵列超声波流量计,其特征在于,正弦调制波,为100Hz到

1000Hz的正弦波。

6.如权利要求1所述的多频阵列超声波流量计,其特征在于,第一多频阵列超声波换能器(100)和第二多频阵列超声波换能器(200)的形状构造相同;

第一多频阵列超声波换能器(100),包括圆柱形的换能器外壳(2);

换能器外壳(2)内,安装有第一主换能器(101)、第二主换能器(102)和第三主换能器(103);

其中,第一主换能器(101)、第二主换能器(102)和第三主换能器(103),分别与换能器引线(4)的一端相连接;

其中,第一主换能器(101)、第二主换能器(102)和第三主换能器(103),沿着周向等间隔分布在换能器外壳(2)的内腔中;

第一主换能器(101)、第二主换能器(102)和第三主换能器(103)的形状为圆柱形。

7.如权利要求6所述的多频阵列超声波流量计,其特征在于,第一主换能器(101)、第二主换能器(102)和第三主换能器(103),分别通过一个定位销(2),与换能器外壳(2)的后侧面板固定连接。

8.如权利要求4所述的多频阵列超声波流量计,其特征在于,第一主换能器(101)、第二主换能器(102)和第三主换能器(103)三者的谐振频率均不一致。

9.如权利要求6所述的多频阵列超声波流量计,其特征在于,第一主换能器(101)、第二主换能器(102)和第三主换能器(103)的谐振频率,均选择在30kHz到2MHz频率之间,并且任意两者之间的差值大于30kHz;

第一主换能器(101)和第一次换能器(201)为相对应的一组,中心频率相同;

第二主换能器(102)和第二次换能器(202)为相对应的一组,中心频率相同;

第三主换能器(103)和第三次换能器(203)为相对应的一组,中心频率相同。

10.如权利要求6所述的多频阵列超声波流量计,其特征在于,第一次换能器(201)的中心轴线,与第一主换能器(101)的中心轴线,位于同一直线上;

第二次换能器(202)的中心轴线,与第二主换能器(102)的中心轴线,位于同一直线上;

第三次换能器(203)的中心轴线,与第三主换能器(103)的中心轴线,位于同一直线上。