一種λ型互相關(guān)時差法超聲波流量檢測方法

Ultrasonic Flow Detection Using Lambda Type Cross-correlation Time Difference Method

柏思忠

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶　400039)

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一種λ型互相關(guān)時差法超聲波流量檢測方法

Ultrasonic Flow Detection Using Lambda Type Cross-correlation Time Difference Method

柏思忠

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400039)

摘要：對超聲波氣體流量檢測主流方法(Z型時差法、V型時差法和平行相關(guān)法)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了一種λ型互相關(guān)時差法超聲波流量檢測方法。該方法采用兩對換能器，一對垂直中軸線安裝，另一對與中軸線成θ角安裝。同側(cè)換能器同時在相同介質(zhì)中發(fā)射相同波形，傳播不同行程后查找互相關(guān)性，計算相對時差，根據(jù)順流和逆流時差計算流速和流量。試驗表明，λ型檢測方法的示值相對誤差小于0.05%，是一種精度高、簡單、實(shí)用的超聲波流量檢測方法。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計檢測時差法平行相關(guān)法儀器儀表氣體傳播速度信號衰減

Abstract：Z type time difference method,V-type time difference method and parallel correlation method are the mainstream methods for ultrasonic gas flow detection,the advantages and disadvantages of these methods are analyzed,and the Lambda type cross-correlation time difference method is proposed.Two pairs of transducers are installed in this method,one is vertically to the central axis,and one is in angle of θ with the central axis.The transducers at the same side emit same waveforms in the same medium,at the same time,and search cross-correlation after propagating different stroke.The relative time difference is calculated; in accordance with the time difference of downstream and upstream,the flow velocity and flow are calculated.The tests indicate that the relative error of indication using Lambda type detection method is less than 0.05%,thus this is a high accurate,simple and applied ultrasonic flow detection method.

Keywords:UltrasonicFlowmeterMeasurementTime-difference methodParallel correlation methodInstrumentationGasTransmission speedSignal attenuation

0引言

超聲波氣體流量計[1-2]的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，其憑借準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、無可動部件、本體無壓損和適合于大口徑、大流量計量等優(yōu)點(diǎn)異軍突起。在工業(yè)應(yīng)用中較為廣泛的超聲波氣體流量主流檢測方法[3-5]分別是Z型時差法[6]、V型時差法[7]和平行相關(guān)法[8]。Z型時差法的優(yōu)點(diǎn)[9]是具有信號檢測功能、安裝簡單等；缺點(diǎn)是測量對象是絕對時間，電路延時、接收波形判決、雜質(zhì)、環(huán)境干擾和電磁輻射等因素都會影響測量精度。V型時差法[10]具有單側(cè)安裝、行程長等優(yōu)點(diǎn)；但具有要求管壁內(nèi)側(cè)光滑、信號衰減大、管道壁厚形成偏差等缺點(diǎn)。平行相關(guān)法[11]的優(yōu)點(diǎn)是不受電路延時、相同干擾的影響；缺點(diǎn)是接收端對信號幅度敏感、工作持續(xù)時間長、功耗大。針對這三種主要的測量方法[12-13]，提出了一種結(jié)合三種方法優(yōu)點(diǎn)的λ型互相關(guān)時差法。

1λ型理論模型

1.1λ型安裝模型

在過管道中軸線的同一平面(實(shí)際上AB和CD兩條中心連線只需要和管道中軸線相交，可以不在同一平面上)， 共安裝有4只收發(fā)一體超聲波換能器，管道剖面圖如圖1所示。兩對超聲波換能器安裝形狀如字母“λ”，A、B為一對，C、D為一對。A、B分別垂直于各自管壁，AB中心連線交叉且垂直于管道中軸線安裝，C、D分別與管壁成θ角。AC中心距為d1，BD中心距為d2，CD中心連線與管道中軸線交叉且成θ角(0°<θ<180°且θ≠90°)安裝。

圖1　λ型超聲波換能器安裝模型示意圖

1.2λ型基本理論分析

假設(shè)該管段的前后直管段長度足夠，滿足流場充分發(fā)展管道[5]的條件，流速方向和管道中心軸線方向平行。

1.2.1AB線垂直于流速方向

A、B分別垂直于各自管壁，AB中心連線交叉且垂直于管道中軸線安裝。氣體在充分發(fā)展管道中流動時，流速方向和管道中軸線平行，因此流速方向和換能器AB的中心連線相交且垂直，流速v與AB連線上超聲波傳播速度v超(無論是A→B還是B→A傳播方向)滿足矢量正交條件。

1.2.2超聲波傳播速度一致

AC中心距為d1，BD中心距為d2， d1和d2數(shù)值較小。AB和CD中心連線在同一段管道內(nèi)并且距離近，介質(zhì)、溫度、流場等條件基本一致。抽象出理論模型時，可以認(rèn)為超聲波在AB和CD中心線上傳播速度保持一致。

1.2.3正向逆向傳播距離不變

在圓形管道或其他呈現(xiàn)中心對稱形狀的管道充分發(fā)展流中，橫截面上的流場分布呈現(xiàn)中心對稱的規(guī)律。換能器AB和CD中心連線無論是正向傳播(A→B、C→D)還是逆向傳播(B→A、D→C)，經(jīng)過流場時的特性相同，正向和逆向傳播距離保持不變。

2λ型檢測法

2.1互相關(guān)法檢測時差[14]

發(fā)射信號s(t)經(jīng)過不同的傳播途徑L1和L2到達(dá)接收端，分別形成接收信號R1(t)和R2(t)，在有效的時間區(qū)間[t0,t0+T]內(nèi)，對R1和R2進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算。

互相關(guān)函數(shù)R(τ)最大值對應(yīng)的時刻就是s(t)經(jīng)過不同傳播途徑L1和L2的時差。

2.2互相關(guān)法檢測順流時差

(1)

2.3 互相關(guān)法檢測逆流時差

(2)

2.4λ型檢測方法

經(jīng)過以上分析，管道流速v=f(D,L,θ,c,Δt1,Δt2)是AB中心線長度(管道直徑)D、CD中心線長度L、CD中心線與管道中軸線夾角θ、超聲波在管道中的傳播速度c、順流時傳播時差Δt1和逆流時傳播時差Δt2的函數(shù)。D、L、θ三個參數(shù)都和管道自身、超聲波換能器安裝有關(guān)，在安裝工藝環(huán)節(jié)控制；Δt1、Δt2是實(shí)際測量獲得；c受介質(zhì)、溫度的影響較大，需要溫度等因素進(jìn)行修正和補(bǔ)償，會影響測量效果，根據(jù)順流和逆流兩種情況得到的函數(shù)關(guān)系式，可以消除c這個因素。由式(1)和式(2)聯(lián)立求解，介質(zhì)中超聲波傳播速度c如式(3)所示，管道中氣體流速如式(4)所示。

(3)

(4)

考慮到超聲波換能器AB中心線距離D和CD中心線距離L滿足關(guān)系式(5)：

D=Lsinθ

(5)

代入式(3)，令:

可將式(3)簡化為式(6)，將式(4)簡化為式(7)：

(6)

(7)

(8)

根據(jù)管道橫截面的面積S，可以計算出體積流量

(9)

3λ型檢測方法優(yōu)缺點(diǎn)

3.1消除介質(zhì)和環(huán)境因素影響

λ型檢測法采用相同波形同時在相同介質(zhì)中傳播不同行程，查找接收信號的互相關(guān)性。雖然信號在傳輸過程中會受介質(zhì)和環(huán)境因素影響發(fā)生畸變，但兩路信號在相同的介質(zhì)和環(huán)境中發(fā)生畸變的情況相似。保持彼此間的相似性，接收端的最大互相關(guān)檢測就不受影響。

3.2降低接收端判決要求

平行安裝法的接收端互相關(guān)檢測是在持續(xù)波形中找到介質(zhì)隨機(jī)調(diào)制的相似性，信號幅度變化是個敏感量，判決要求高。對于λ型檢測法，接收信號是一個時限信號，只需要在接收端檢測有信號時兩者互相關(guān)的最大值即可，同時還可以調(diào)節(jié)安裝角度θ，增大行程差，增加接收信號的時差，降低接收判決的困難程度。

3.3避免測量絕對時間

超聲波信號的“拖尾”現(xiàn)象，決定了接收端是一個持續(xù)一定時長的多周期信號，能否準(zhǔn)確定位接收信號的接收時刻會影響測量的絕對時間。同時，超聲波換能器的壓電轉(zhuǎn)換慣性遲滯和電路延時也會影響超聲波傳播絕對時間的測量。

λ型檢測法采用相同的超聲波換能器、相同的發(fā)射信號、相同的管段、相同的介質(zhì)和不同的行程，用最大互相關(guān)法檢測兩種情況下的相對時差。一方面測量相對時差消除了超聲波換能器和電路固有時延的影響；另一方面接收端直接計算兩個接收信號的互相關(guān)最大值，不需要準(zhǔn)確定位某個接收信號到達(dá)的絕對時刻，減少了測量傳播時間的影響因素。

3.4避免反射衰減

對于V型互相關(guān)檢測法，其采用超聲波反射方式，依賴于流量管道內(nèi)壁的反射系數(shù)，并且行程長、衰減大。λ型檢測法采用對射技術(shù)，對流量管道內(nèi)壁的反射系數(shù)沒有要求，行程短、衰減小。

3.5增加硬件成本

相比Z型時差法和V型互相關(guān)超聲波流量檢測方式只用一對超聲波換能器，λ型檢測法采用兩對超聲波換能器，在硬件上需要增加一對超聲波換能器。相比Z型時差法直接判決接收信號的到達(dá)時刻，λ型檢測法接收端采用高速數(shù)據(jù)采樣進(jìn)行最大互相關(guān)檢測，硬件成本也會增加。

3.6增加軟件復(fù)雜度

λ型檢測法接收信號進(jìn)行互相關(guān)檢測時，不同管徑、不同流速和不同精度對互相關(guān)算法數(shù)據(jù)量的多少和處理要求都不一樣，整體比Z型時差法、V型和平行安裝的互相關(guān)檢測法復(fù)雜程度要高。

4實(shí)驗驗證

在兩條滑軌的夾具上固定2對相同型號的超聲波換能器，放置到風(fēng)洞中，改變流速和換能器之間的距離，用實(shí)時采樣速率為200 MS/s的泰克示波器(型號：TDS2022B)測試接收端波形時差，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　λ型檢測法實(shí)驗數(shù)據(jù)

續(xù)表1

由表1可知，在最嚴(yán)酷的小管徑低流速測試條件下，計算結(jié)果誤差小于示值的0.05%，完全可以滿足超聲波氣體流量計相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[15-17]。

5結(jié)束語

本文分析了超聲波氣體流量主流檢測方法Z型時差法、V型反射和平行安裝互相關(guān)檢測法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并針對各自的缺點(diǎn)，結(jié)合它們的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種全新的λ型檢測法。λ型檢測法采用兩對超聲波換能器成λ型安裝，采用對射方式。接收端判決采用最大互相關(guān)算法測量順流和逆流相對時差，避免了反射方式信號衰減大、測量絕對時間影響因素多、接收信號持續(xù)存在檢測調(diào)制相關(guān)性要求高等問題。最后經(jīng)過實(shí)驗驗證，λ型檢測法是一種測量精度高、簡單、實(shí)用的超聲波氣體流量計檢測方法。

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中圖分類號：TP216;TH86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602021

國家“十二五”科技支撐基金資助項目(編號：2014BAC17B00)。

修改稿收到日期：2015-05-12。

作者柏思忠(1978-)，男，2004年畢業(yè)于重慶大學(xué)電路與系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，助理研究員；主要研究方向為瓦斯抽放流量計量和監(jiān)測監(jiān)控。