本發(fā)明涉及計(jì)量?jī)x表技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超聲波流量計(jì)。

背景技術(shù)：

由于人們對(duì)環(huán)境的關(guān)注度越來(lái)越高，天然氣作為清潔環(huán)保的綠色能源得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注及應(yīng)用，天然氣行業(yè)在未來(lái)很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)都將得到快速發(fā)展。為了適應(yīng)天然氣行業(yè)的發(fā)展需求，特別是燃?xì)夤緦?duì)天然氣計(jì)量及管網(wǎng)輸配管理的發(fā)展需求，在信息化技術(shù)的發(fā)展背景下，計(jì)量精確、工作穩(wěn)定，且具有遠(yuǎn)程管理功能的智能流量計(jì)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入天然氣計(jì)量及輸配管理中。

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用于天然氣計(jì)量及輸配管理的流量計(jì)主要為羅茨表和渦輪表，這兩種計(jì)量?jī)x表均屬于機(jī)械式計(jì)量?jī)x表，難以擺脫機(jī)械式儀表固有的弱點(diǎn)，例如，對(duì)天然氣的質(zhì)量要求高，容易卡住，維護(hù)頻繁且維護(hù)成本較高，同時(shí)隨著天然氣輸送管路口徑的增大，兩種機(jī)械式計(jì)量?jī)x表的體積、重量和價(jià)格會(huì)大幅度攀升，這些弱點(diǎn)嚴(yán)重制約了天然氣計(jì)量及管網(wǎng)輸配管理向著“精確、穩(wěn)定、智能、高效”的方向發(fā)展。

為了克服機(jī)械式計(jì)量?jī)x表的缺點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)了超聲波流量計(jì)，利用超聲波信號(hào)進(jìn)行氣體流量的檢測(cè)，例如授權(quán)公告號(hào)為CN102914334B的發(fā)明專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種插入式超聲波氣體流量計(jì)，包括使用時(shí)插入待測(cè)氣體管路中的換能器固定架，在換能器固定架上固設(shè)有用于測(cè)量超聲波在待測(cè)氣體中順流傳播時(shí)的順流時(shí)間和逆流傳播時(shí)的逆流時(shí)間的超聲波換能器組，還包括使用時(shí)布置在待測(cè)氣體管路的與所述超聲波換能器組相對(duì)應(yīng)的管段處、且與該管段相連通并供該管段中的待測(cè)氣體自由擴(kuò)散的靜速容器，在靜速容器上布置用于在靜速管中測(cè)量超聲波傳播速度的超聲波換能器。

但是該發(fā)明專(zhuān)利文獻(xiàn)中，靜速管需要插入氣體管路中進(jìn)行氣體流量的測(cè)量，靜速管本身會(huì)對(duì)氣體流動(dòng)造成擾動(dòng)，從而引起流量測(cè)量的誤差。

為了滿足天然氣計(jì)量及管網(wǎng)輸配管理的發(fā)展需求，需要提供一種智能化的超聲波流量計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣流量的精確測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種超聲波流量計(jì)，能夠?qū)怏w流量進(jìn)行精確測(cè)量，對(duì)氣體管網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)輸配異常進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，尤其適合于天然氣的輸配管理。

一種超聲波流量計(jì)，所述超聲波流量計(jì)包括繞氣體管道周向布置的三對(duì)超聲波收發(fā)裝置，其中一對(duì)超聲波收發(fā)裝置所形成的超聲波傳播路徑與氣體管道的中心線相交，其余兩對(duì)超聲波收發(fā)裝置所形成的超聲波傳播路徑相互平行，且對(duì)稱(chēng)分布在氣體管道中心線的兩側(cè)。

一對(duì)超聲波收發(fā)裝置所形成的超聲波為一束，本發(fā)明中以該束超聲波的中軸線作為相應(yīng)的超聲波傳播路徑。

本發(fā)明中在氣體管道周向布置三對(duì)超聲波收發(fā)裝置，每個(gè)超聲波收發(fā)裝置都具有接收和發(fā)射超聲波的功能，本發(fā)明中各超聲波收發(fā)裝置環(huán)繞氣體管道布置，伸入氣體管道中的部分非常小，不會(huì)對(duì)氣體流動(dòng)狀態(tài)造成干擾。

為了準(zhǔn)確測(cè)量超聲波的傳播時(shí)間，并兼顧測(cè)量的效率，優(yōu)選地，每對(duì)超聲波收發(fā)裝置所形成的超聲波傳播路徑與氣體管道的中心線的夾角為30～60度。相互平行的兩條超聲波傳播路徑共平面，另一對(duì)超聲波的傳播路徑與該平面僅有一個(gè)交點(diǎn)。

每次測(cè)量氣體流量時(shí)，三對(duì)超聲波收發(fā)裝置依次輪流發(fā)射和接收超聲波信號(hào)，每對(duì)超聲波收發(fā)裝置獲取對(duì)應(yīng)的一組超聲波回波信號(hào)，每組回波信號(hào)對(duì)應(yīng)得到一個(gè)超聲波與氣體同向傳輸?shù)捻樝騻鬏敃r(shí)間，和一個(gè)超聲波與氣體反向傳輸?shù)哪嫦騻鬏敃r(shí)間。

所述超聲波流量計(jì)還包括：

控制單元，用于處理超聲波收發(fā)裝置采集的信息，并輸出氣體流量。

通過(guò)控制單元控制超聲波收發(fā)裝置的超聲波發(fā)射和接收，超聲波收發(fā)裝置依據(jù)控制單元的指令，完成超聲波收發(fā)通道的選取，并進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收。超聲波收發(fā)裝置的收發(fā)次序可以通過(guò)預(yù)先的程序進(jìn)行設(shè)定，也可以經(jīng)后續(xù)人為設(shè)置。

作為優(yōu)選，所述控制單元包括以下模塊：

接收模塊，用于根據(jù)回波信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)計(jì)算超聲波回波信號(hào)的最大幅值V₀；

判斷模塊，用于判斷最大幅值V₀是否處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，并輸出判斷結(jié)果；

V_H為氣體流量達(dá)到超聲波流量計(jì)量程上限時(shí)，超聲波回波信號(hào)的最大幅值與第一裕量的加和；

V_L為氣體流量達(dá)到超聲波流量計(jì)量程下限時(shí)，超聲波回波信號(hào)的最大幅值與動(dòng)態(tài)調(diào)整幅值增益最大值的乘積和第二裕量的差值；

調(diào)整模塊，用于依據(jù)判斷模塊的輸出結(jié)果，調(diào)整最大幅值V₀，并輸出調(diào)整結(jié)果；

若判斷模塊的輸出結(jié)果為：最大幅值V₀處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，則不進(jìn)行調(diào)整；

若判斷模塊的輸出結(jié)果為：最大幅值V₀不處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，則利用式V＝A_(x)·V₀計(jì)算最大幅值V，使調(diào)整后的最大幅值V處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，A_(x)為動(dòng)態(tài)調(diào)整幅值增益；

時(shí)間模塊，用于依據(jù)調(diào)整結(jié)果，確定回波信號(hào)的基準(zhǔn)時(shí)刻；

若最大幅值為V₀，則使用回波信號(hào)中第二個(gè)波與第一觸發(fā)閾值V_TH0相交的較小時(shí)刻作為超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻，計(jì)算超聲波的傳輸時(shí)間；

若最大幅值為V，則使用回波信號(hào)中第二個(gè)波與第二觸發(fā)閾值V_TH相交的較小時(shí)刻作為超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻，計(jì)算超聲波的傳輸時(shí)間；

計(jì)算模塊，用于依據(jù)回波信號(hào)的基準(zhǔn)時(shí)刻，計(jì)算各超聲波收發(fā)裝置對(duì)應(yīng)的初始?xì)怏w流速，并對(duì)各初始?xì)怏w流速進(jìn)行加權(quán)平均，得到氣體流速，并結(jié)合氣體管道截面積計(jì)算得到氣體流量。

第二個(gè)波與第一觸發(fā)閾值V_TH0具有兩個(gè)交點(diǎn)，每個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)刻， 以較小時(shí)刻作為超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻；同理，第二個(gè)波與第二觸發(fā)閾值V_TH具有兩個(gè)交點(diǎn)，每個(gè)交點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)刻，以較小時(shí)刻作為超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻。

作為優(yōu)選，第一裕量的范圍為可被正確識(shí)別的超聲波回波信號(hào)的最大幅值(流量計(jì)在量程上限時(shí)超聲波回波信號(hào)的最大幅值)的5～10％，第二裕量的范圍為可被正確識(shí)別的超聲波回波信號(hào)的最大幅值(流量計(jì)在量程下限時(shí)超聲波回波信號(hào)的最大幅值)的5～10％。

不同測(cè)量條件下，超聲波回波信號(hào)的最大幅值V₀不盡相同，將超聲波流量計(jì)量程內(nèi)超聲波回波信號(hào)最大幅值的范圍[V_0min,V_0max]劃分成多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的回波信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)第一觸發(fā)閾值V_TH0。通常，第一觸發(fā)閾值V_TH0為最大幅值V₀的20～40％。第二觸發(fā)閾值V_TH的計(jì)算方式為：V_TH＝A_(x)·V_TH0。即將最大幅值V₀擴(kuò)大A_(x)倍后得到V時(shí)，相應(yīng)的第二觸發(fā)閾值V_TH也由第一觸發(fā)閾值V_TH0擴(kuò)大A_(x)倍得到。

本發(fā)明提供的超聲波流量計(jì)為智能電子設(shè)備，計(jì)量精度高(至少達(dá)到和機(jī)械表相同的精度)、設(shè)備穩(wěn)定性好、維護(hù)成本低，同時(shí)還集成了故障自診斷及各類(lèi)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳功能，使得燃?xì)夤灸軌驅(qū)μ烊粴夤芫W(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、對(duì)燃?xì)廨斉溥M(jìn)行遠(yuǎn)程管理、對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，能有效提高燃?xì)夤緦?duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)的信息化管理水平。

附圖說(shuō)明

圖1a為本發(fā)明超聲波流量計(jì)的示意圖；

圖1b為圖1a中的A向示意圖；

圖1c為圖1b中的B向示意圖；

圖1d為超聲波流量計(jì)中超聲波傳播路徑穿過(guò)管道中心線的超聲波收發(fā)裝置的剖視圖；

圖2為本發(fā)明超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明超聲波流量計(jì)的工作流程示意圖；

圖4為時(shí)間測(cè)量的流程示意圖；

圖5為原始回波信號(hào)示意圖；

圖6為調(diào)整之后的回波信號(hào)示意圖；

圖7為超聲波傳輸時(shí)間計(jì)算示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明超聲波流量計(jì)做詳細(xì)描述。

以含有三對(duì)超聲波收發(fā)裝置為例，如圖1a、圖1b、圖1c、圖1d所示，本發(fā)明提供的超聲波流量計(jì)包括三對(duì)超聲波探頭(即超聲波收發(fā)裝置)，分別為超聲波探頭11和超聲波探頭12，超聲波探頭21和超聲波探頭22，超聲波探頭31和超聲波探頭32，其中超聲波探頭11和超聲波探頭12的超聲波傳播路徑與氣體管道的中心線相交，其余兩對(duì)超聲波探頭形成的超聲波傳播路徑相互平行，且對(duì)稱(chēng)分布在氣體管道中心線的兩側(cè)，每對(duì)超聲波探頭所形成的超聲波傳播路徑與氣體管道的中心線的夾角均為60度，超聲波探頭21和超聲波探頭31的距離小于待測(cè)氣體流量管道的直徑，且可以依據(jù)需要進(jìn)行選擇。

圖1a中，超聲波探頭32和超聲波探頭22重合，超聲波探頭31和超聲波探頭21重合，圖1c中省略超聲波探頭11和超聲波探頭12。

每個(gè)超聲波收發(fā)裝置中包括帶通濾波、可編程增益以及信號(hào)采樣三部分功能電路，通過(guò)采樣-調(diào)整-采樣的循環(huán)過(guò)程完成超聲波回波信號(hào)的調(diào)整，得到能夠被正確識(shí)別的超聲波回波。

帶通濾波功能電路通過(guò)選頻功能，在保證超聲波回波信號(hào)無(wú)損通過(guò)的同時(shí)，能濾除回波信號(hào)中的雜波，以保證后級(jí)的可編程增益電路能夠獲得較純凈的超聲波回波信號(hào)。

除了超聲波收發(fā)裝置，如圖2所示，超聲波流量計(jì)還包括：控制單元、電源模塊、輸入模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無(wú)線通信模塊、顯示模塊、工況采集模塊、輸出模塊。

電源模塊用于向超聲波流量計(jì)的各個(gè)用電單元提供電源輸出，電源模塊的輸入為4.5～16V寬電壓范圍的直流電源，利用轉(zhuǎn)換電路分別向超聲波流量計(jì)各用電單元供電。直流電源輸入可以利用外接電源，也可以由超聲波流量計(jì)內(nèi)部的電池供給。

本發(fā)明提供的超聲波流量計(jì)包含兩種模式，一種為測(cè)量氣體流量時(shí)的工作模式，另一種為停止氣體測(cè)量時(shí)的低功耗模式，控制單元控制超聲波流量計(jì)在兩種模式之間自動(dòng)切換，自動(dòng)切換過(guò)程可以事先通過(guò)程序設(shè)定，也可以利用輸入模塊手工輸入。

電源模塊向各用電單元供電的過(guò)程受控于控制單元，控制單元依據(jù)超聲波流量計(jì)的工作模式和低功耗模式的不同，向電源模塊發(fā)送控制信號(hào)，協(xié)調(diào)超聲波流量計(jì)以最低的功耗有效運(yùn)行，即需要工作的用電單元供電，而不需要工作的用電單元停止供電。

控制單元為超聲波流量計(jì)數(shù)據(jù)處理以及各組成部分功能控制的核心部分，采用STM32微處理器，超聲波流量計(jì)工作時(shí)，除了處理超聲波收發(fā)裝置采集的信息，實(shí)現(xiàn)氣體流量的計(jì)算以及體積修正，還進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)與其余設(shè)備的信息交互控制，控制顯示模塊的功能顯示、輸入模塊的指令輸入、模式的切換、工況數(shù)據(jù)的采集以及信號(hào)輸出。

超聲波收發(fā)裝置中的可編程增益功能電路與控制單元之間通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信，根據(jù)控制單元的指令對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)整，采樣電路對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行采樣，并將采樣后的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口送至控制單元，控制單元依據(jù)采樣電路的采樣判斷是否需要對(duì)超聲波回波信號(hào)進(jìn)行調(diào)整。

控制單元通過(guò)RS485接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，使管理員能夠通過(guò)上位機(jī)將系統(tǒng)時(shí)間、模式、運(yùn)行過(guò)程參數(shù)、體積修正表等參數(shù)下發(fā)至控制單元，也可以通過(guò)命令查詢(xún)向控制單元獲取系統(tǒng)當(dāng)前的溫度、壓力、流量、超聲波聲速等狀態(tài)信息，還可以向系統(tǒng)下發(fā)休眠/喚醒等控制命令實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在工作模式和低功耗模式之間的切換(系統(tǒng)休眠對(duì)應(yīng)低功耗模式，喚醒對(duì)應(yīng)工作模式)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包括鐵電存儲(chǔ)器和SPI Flash存儲(chǔ)器兩部分，與控制單元通過(guò)SPI接口進(jìn)行通信，用于系統(tǒng)參數(shù)、各種表項(xiàng)、系統(tǒng)狀態(tài)以及計(jì)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

無(wú)線通信模塊采用GPRS模塊，通過(guò)UART接口與控制單元進(jìn)行通信，并在控制單元的控制下通過(guò)公共的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與管網(wǎng)管理中心的信息交互，完成計(jì)量數(shù)據(jù)的上傳，以及管網(wǎng)管理中心的控制指令的接 收。

輸入模塊采用霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸式按鍵功能，用于輸入各種指令，例如，系統(tǒng)的休眠/喚醒，菜單控制以及信息查詢(xún)等功能。

顯示模塊采用OLED模塊，通過(guò)SPI接口與控制單元進(jìn)行通信，用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的溫度、壓力、流量、超聲波聲速等測(cè)量信息，其中流量包括當(dāng)前流量、累計(jì)流量、計(jì)時(shí)流量、工況流量、標(biāo)況流量等多種類(lèi)型。

輸出模塊通過(guò)數(shù)字I/O口以及SPI接口與控制單元進(jìn)行通信，在控制單元的控制下，輸出數(shù)字脈沖信號(hào)以及4～20mA電流環(huán)信號(hào)，其中，數(shù)字脈沖信號(hào)以高低電平輸出異常報(bào)警等狀態(tài)信號(hào)，4～20mA電流環(huán)信號(hào)通過(guò)輸出量化電流表征具體的系統(tǒng)狀態(tài)。

工況采集模塊包括溫度采集模塊和壓力采集模塊，其中溫度采集模塊通過(guò)模擬接口與控制單元進(jìn)行通信，控制單元根據(jù)采樣得到的溫度數(shù)據(jù)查找數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的溫度轉(zhuǎn)換表，可以得知工作現(xiàn)場(chǎng)溫度以實(shí)現(xiàn)氣體流量等數(shù)據(jù)的修正。

壓力采集模塊通過(guò)模擬接口與控制單元進(jìn)行通信，控制單元根據(jù)采樣得到的壓力數(shù)據(jù)查找數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的壓力轉(zhuǎn)換表，可以得知工作現(xiàn)場(chǎng)壓力以實(shí)現(xiàn)氣體流量等數(shù)據(jù)的修正。

本發(fā)明利用超聲波流量計(jì)測(cè)量氣體流量的原理如下：

氣流上游的超聲波探頭發(fā)出的超聲波信號(hào)到氣流下游的超聲波探頭接收超聲波信號(hào)的過(guò)程中，由于氣體流動(dòng)在超聲波信號(hào)的傳輸方向上產(chǎn)生速度分量，會(huì)加速超聲波信號(hào)的傳輸；氣流下游的超聲波探頭發(fā)出的超聲波信號(hào)到氣流上游的超聲波探頭接收超聲波信號(hào)的過(guò)程中，由于氣體流動(dòng)在超聲波信號(hào)的傳輸方向上產(chǎn)生速度分量，會(huì)減慢超聲波信號(hào)的傳輸，利用超聲波信號(hào)在順氣體流向以及逆氣體流向中傳輸時(shí)間的不同來(lái)計(jì)算氣體流量。

如圖1d所示，圖中L為上下游超聲波探頭的直線距離，D為管道直徑，θ為超聲波傳輸路徑與測(cè)定管中心線的夾角，V為氣體的平均流速，t₁為超聲波順向傳輸時(shí)間，t₂為超聲波逆向傳輸時(shí)間，則有：

由式(Ⅰ)和式(Ⅱ)可得：

由于流量＝流速*橫截面積，由流速計(jì)算流量的表達(dá)式如下：

其中，C表示超聲波的傳播速度；A表示測(cè)定管的橫截面積。

由式(Ⅳ)可以看到氣體流速跟超聲波傳播速度沒(méi)有關(guān)系，因此，可以避免由于溫度、壓力等因素的差異引起超聲波傳播速度變化，而導(dǎo)致氣體流量計(jì)量出現(xiàn)偏差。

氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于管壁摩擦等因素的影響，在管道橫截面上的流速存在差異，直接通過(guò)公式(Ⅳ)獲得的氣體流量需要修正之后，才能夠真實(shí)地反應(yīng)氣體的實(shí)際流量，為了提高計(jì)量的精度，本發(fā)明采用三對(duì)共六個(gè)超聲波收發(fā)裝置對(duì)多點(diǎn)流速進(jìn)行采樣，然后通過(guò)加權(quán)平均的方法計(jì)算得到氣體流量，并對(duì)氣體流量進(jìn)行修正，以逼近真實(shí)的氣體流量。

由計(jì)算過(guò)程可知，測(cè)量氣體流量的關(guān)鍵在于，準(zhǔn)確測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間，為了保證氣體流量測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此，本發(fā)明中的控制單元包括以下模塊：

接收模塊，用于根據(jù)回波信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)計(jì)算超聲波回波信號(hào)的最大幅值V₀；

判斷模塊，用于判斷最大幅值V₀是否處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，并輸出判斷結(jié)果；

V_H為氣體流量達(dá)到超聲波流量計(jì)量程上限時(shí)，超聲波回波信號(hào)的最大幅值與第一裕量的加和；

V_L為氣體流量達(dá)到超聲波流量計(jì)量程下限時(shí)，超聲波回波信號(hào)的最大幅值與動(dòng)態(tài)調(diào)整幅值增益最大值的乘積和第二裕量的差值；

調(diào)整模塊，用于依據(jù)判斷模塊的輸出結(jié)果，調(diào)整最大幅值V₀，并輸出調(diào)整結(jié)果；

若判斷模塊的輸出結(jié)果為：最大幅值V₀處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，則不進(jìn)行調(diào)整；

若判斷模塊的輸出結(jié)果為：最大幅值V₀不處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，則利用式V＝A_(x)·V₀計(jì)算最大幅值V，使調(diào)整后的最大幅值V處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，A_(x)為動(dòng)態(tài)調(diào)整幅值增益；

如圖5所示，最大幅值V₀不處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，則進(jìn)行幅值調(diào)整，如圖6所示，使最大幅值V處于幅值范圍[V_L,V_H]內(nèi)，圖6中A點(diǎn)對(duì)應(yīng)為超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻。

時(shí)間模塊，用于依據(jù)調(diào)整結(jié)果，確定回波信號(hào)的基準(zhǔn)時(shí)刻；

若最大幅值為V₀，則使用回波信號(hào)中第二個(gè)波與第一觸發(fā)閾值V_TH0相交的較小時(shí)刻作為超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻，計(jì)算超聲波的傳輸時(shí)間；

若最大幅值為V，則使用回波信號(hào)中第二個(gè)波與第二觸發(fā)閾值V_TH相交的較小時(shí)刻作為超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻，計(jì)算超聲波的傳輸時(shí)間；

計(jì)算模塊，用于依據(jù)回波信號(hào)的基準(zhǔn)時(shí)刻，計(jì)算各超聲波收發(fā)裝置對(duì)應(yīng)的初始?xì)怏w流速，并對(duì)各初始?xì)怏w流速進(jìn)行加權(quán)平均，得到氣體流速，并結(jié)合氣體管道截面積計(jì)算得到氣體流量。

第一裕量為可被正確識(shí)別的超聲波回波信號(hào)的最大幅值(流量計(jì)在量程上限時(shí)超聲波回波信號(hào)的最大幅值)的5％，第二裕量的范圍為可被正確識(shí)別超聲波回波信號(hào)的最大幅值(流量計(jì)在量程下限時(shí)超聲波回波信號(hào)的最大幅值)的5％。

將超聲波流量計(jì)量程內(nèi)超聲波回波信號(hào)最大幅值的范圍[V_0min,V_0max]劃分成多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)的回波信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)第一觸發(fā)閾值V_TH0。

回波信號(hào)的最大幅值V₀與第一觸發(fā)閾值V_TH0的對(duì)應(yīng)關(guān)系依據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲得，并預(yù)先存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，使用時(shí)通過(guò)查找數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的觸發(fā)閾值表，來(lái)確定第一觸發(fā)閾值V_TH0，第二觸發(fā)閾值V_TH的計(jì)算方式如下：V_TH＝A_(x)·V_TH0。

為了準(zhǔn)確地獲取超聲波的傳輸時(shí)間，本發(fā)明中放棄使用容易被噪聲淹沒(méi)的回波信號(hào)中的第一個(gè)波(接收到的超聲波回波信號(hào)中第一個(gè)完整周期 為第一個(gè)波，第二個(gè)完整周期為第二個(gè)波，依次類(lèi)推)，而是使用第二個(gè)波進(jìn)行超聲波基準(zhǔn)時(shí)刻的判斷，由于第二個(gè)波的幅值與相鄰兩個(gè)波差異顯著，利用第二個(gè)波作為超聲波基準(zhǔn)時(shí)刻的判斷，能夠提高穩(wěn)定性。

當(dāng)接收的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)一定周期的調(diào)整之后，仍無(wú)法將幅值調(diào)整至所需的范圍，則判定相應(yīng)的超聲波收發(fā)裝置異常，將暫時(shí)關(guān)閉該超聲波收發(fā)通道(兩個(gè)位置相對(duì)的超聲波收發(fā)裝置構(gòu)成一個(gè)超聲波收發(fā)通道)，若該通道多次被判定為異常，則將永久關(guān)閉該通道，若通道關(guān)閉，則進(jìn)行異常報(bào)警，以便管理人員進(jìn)行處理，由于采用了三對(duì)共六個(gè)超聲波收發(fā)裝置，除了具有較高的魯棒性，任意一個(gè)通道的關(guān)閉也不會(huì)明顯影響計(jì)量精度。

本發(fā)明中幅值調(diào)整的目的在于保證基準(zhǔn)時(shí)刻的唯一存在，然后利用唯一的基準(zhǔn)時(shí)刻進(jìn)行超聲波接收時(shí)刻的計(jì)算，幅值調(diào)整完成后，得到如圖7所示的超聲波回波信號(hào)，利用式t＝T₂-T₀-n·T計(jì)算超聲波傳輸時(shí)間，式中，T₀為超聲波發(fā)送的時(shí)刻；n為T(mén)₁與T₂之間回波信號(hào)的周期個(gè)數(shù)，T為超聲波回波信號(hào)的周期。

如圖3所示，本發(fā)明提供的超聲波流量計(jì)使用時(shí)，首先由控制單元和電源模塊配合完成系統(tǒng)的上電和初始化，系統(tǒng)的上電過(guò)程為：電源模塊首先對(duì)能夠保證控制單元正常工作的最小系統(tǒng)進(jìn)行上電，控制單元的最小系統(tǒng)正常工作后，控制單元控制電源模塊向其余用電單元進(jìn)行上電。

系統(tǒng)完成上電后，在控制單元的控制下，自動(dòng)對(duì)系統(tǒng)各功能模塊進(jìn)行通信和狀態(tài)檢測(cè)，檢測(cè)完成后，若系統(tǒng)狀態(tài)正常，則開(kāi)啟相應(yīng)的定時(shí)程序(定時(shí)程序的時(shí)間設(shè)定以有效降低系統(tǒng)功耗為目的，計(jì)時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)度必須大于系統(tǒng)完成一次完整的計(jì)量流程所需的時(shí)間)進(jìn)入空閑狀態(tài)，等待相應(yīng)的中斷指令，若系統(tǒng)狀態(tài)異常，則在控制單元的控制下，由輸出模塊輸出數(shù)字脈沖信號(hào)以及4～20mA電流環(huán)信號(hào)，進(jìn)行異常報(bào)警。

對(duì)于外部供電的設(shè)備，系統(tǒng)在空閑狀態(tài)下，可以進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低系統(tǒng)功耗，也可以不進(jìn)入休眠狀態(tài)以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度；對(duì)于電池供電的低功耗設(shè)備，所述的空閑狀態(tài)即為休眠的低功耗狀態(tài)，在保證計(jì)量精度的情況下降低系統(tǒng)功耗。

在需要時(shí)，系統(tǒng)管理員可以通過(guò)與控制單元相連的上位機(jī)向控制單元 發(fā)布相應(yīng)的指令，對(duì)系統(tǒng)時(shí)間、工作模式、運(yùn)行過(guò)程參數(shù)、各種修正表項(xiàng)等進(jìn)行下發(fā)或修改；系統(tǒng)管理員也可以通過(guò)上位機(jī)使用查詢(xún)命令獲取系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等狀態(tài)信息，還可以通過(guò)休眠/喚醒指令控制系統(tǒng)進(jìn)行工作狀態(tài)的切換。

當(dāng)定時(shí)程序的一個(gè)計(jì)時(shí)周期耗盡時(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的定時(shí)中斷以開(kāi)啟一個(gè)計(jì)量流程和一個(gè)計(jì)量周期，在每個(gè)計(jì)量流程中，控制單元一方面依據(jù)超聲波收發(fā)裝置的回波信號(hào)完成傳輸時(shí)間的計(jì)算，另一方面通過(guò)溫度測(cè)量模塊和壓力測(cè)量模塊進(jìn)行AD采樣，并查詢(xún)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中相應(yīng)的轉(zhuǎn)換表項(xiàng)以獲得工作現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力等工況信息，然后控制單元根據(jù)獲得的時(shí)間、溫度和壓力等參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以完成氣體流量的計(jì)量以及修正；獲得有效的計(jì)量數(shù)據(jù)后，按要求完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，結(jié)束本次計(jì)量流程。

在每個(gè)計(jì)量流程中，控制單元控制超聲波收發(fā)裝置依據(jù)所需要的次序進(jìn)行超聲波的發(fā)射和接收，如圖4所示，首先，控制單元依據(jù)一個(gè)計(jì)量流程中能夠以最快的速度獲得全部所需的有效時(shí)間數(shù)據(jù)為原則，選取超聲波收發(fā)裝置進(jìn)行超聲波的發(fā)射，對(duì)應(yīng)的超聲波收發(fā)裝置進(jìn)行回波信號(hào)的接收，回波信號(hào)接收后，由控制單元控制采樣電路采樣，并判斷回波信號(hào)的最大幅值是否在[V_L,V_H]范圍內(nèi)，如果最大幅值在[V_L,V_H]范圍內(nèi)，則得到超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻，如果最大幅值不在[V_L,V_H]范圍內(nèi)，則對(duì)最大幅值進(jìn)行增益調(diào)整，以獲得超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻，獲得超聲波的基準(zhǔn)時(shí)刻后，計(jì)算對(duì)應(yīng)的超聲波接收時(shí)間，超聲波收發(fā)裝置通過(guò)中斷信號(hào)告知控制單元讀取時(shí)間數(shù)據(jù)，獲得一次有效地時(shí)間數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)記錄在存儲(chǔ)模塊中后，本次精確時(shí)間測(cè)量流程結(jié)束。

每次計(jì)量流程完成后，控制單元依據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前溫度、壓力、氣體流量以及超聲波聲速等測(cè)量信息，判定是天然氣管網(wǎng)否存在異常情況；若系統(tǒng)狀態(tài)正常，則系統(tǒng)工作流程進(jìn)入下一級(jí)；若存在異常情況，則進(jìn)行異常標(biāo)志存儲(chǔ)，并可通過(guò)輸出模塊輸出數(shù)字脈沖信號(hào)及4-20mA電流環(huán)信號(hào)，進(jìn)行異常報(bào)警；其中，數(shù)字脈沖信號(hào)以高低電平傳輸異常報(bào)警等狀態(tài)信號(hào)，4-20mA電流環(huán)信號(hào)通過(guò)輸出量化電流表征具體的系統(tǒng)狀態(tài)，對(duì)于外部供電的設(shè)備，也可以通過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程異常報(bào)警。

如果系統(tǒng)采用外部供電，根據(jù)需要，可通過(guò)無(wú)線通信模塊與管理中心建立實(shí)時(shí)的無(wú)線通信連接，以完成計(jì)量數(shù)據(jù)及系統(tǒng)狀態(tài)等的實(shí)時(shí)上傳。

系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，可以通過(guò)輸入模塊和顯示模塊的配合進(jìn)行系統(tǒng)的休眠/喚醒、菜單控制、計(jì)量數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息查詢(xún)等功能。

超聲波流量計(jì)不進(jìn)行氣體測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入空閑狀態(tài)。

上述實(shí)施方式為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何在未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的修改、替代、組合、裁剪，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。