時差法超聲波流量計測量精度的補償方法?

郭 濤 王志強 李 成

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室 太原 030051)

0 引言

隨著各領(lǐng)域的技術(shù)革新，能源計量、環(huán)境保護、交通運輸?shù)葢?yīng)用領(lǐng)域?qū)α髁繙y量需求的牽引，使得流量計的使用量迅速增長。使用傳統(tǒng)流量計對工業(yè)流體流量進行測量時，受管道和流量計自身工作要求的限制，存在著制造運輸困難、造價過高以及調(diào)試安裝不便等缺點。而超聲波流量計可以通過非接觸式測量方法即在管道外壁安裝，不會帶來管道堵塞和能量損耗等問題，且相較于傳統(tǒng)流量計性價比較高。其中，又以時差式超聲波流量計最具發(fā)展?jié)摿Α３暡髁坑嫷臏y量精度涉及領(lǐng)域廣，較為復(fù)雜。其中，順流和逆流的時間差直接決定了時差式超聲波流量計系統(tǒng)的測量精確度。因此準確地計算出時間差是整個測量系統(tǒng)需要處理的關(guān)鍵問題[1?2]。

1 時差法測量原理

超聲波流量計的兩個換能器以固定角度安裝在管道兩側(cè)，通過系統(tǒng)控制換能器切換發(fā)射和接收工作狀態(tài)，測量超聲波在管道內(nèi)順逆流下的傳播時間，再由公式計算得出流量值。其工作原理如圖1所示[3?4]。

圖1 超聲波流量計工作原理Fig.1 Working principle of ultrasonic flowmeter

結(jié)合時差法流量計的工作原理，瞬時體積流量計算公式推導(dǎo)如下：

順流時間ts公式為

式(1)中，L為探頭垂直距離，v為流體流速，θ為聲道角，c為流體中超聲波速。

逆流時間tn公式為

聯(lián)立式(1)、式(2)及L=D/cosθ，得到公式(3)：

對管道中流體流速進行分布補償后，得到瞬時體積流量qQ計算公式為

其中，K為線流速轉(zhuǎn)化為面流速的補償系數(shù)。

由計算公式可知，測量順逆流時的絕對傳播時間就成為提高流量計精度的直接因素。

2 信號處理方法探究

2.1 過零檢測

根據(jù)超聲波換能器的工作原理，接收信號的頻率大小等于換能器固有頻率且固定不變，即過零點的位置由介質(zhì)聲速、流速所導(dǎo)致的信號傳播時間決定，而不隨波形形狀變化，為過零檢測信號提供了條件。為了排除換能器起振和介質(zhì)性質(zhì)的影響因素，通過參考電平芯片和比較器芯片設(shè)計了閾值電壓電路和鎖存電路，獲取超聲波傳播時間。

如圖2所示，選用一個雙通道比較器芯片，將放大濾波后的接收信號接到芯片A通道的INA+和B通道的INB?上。利用信號鎖存使能端LE 的鎖存功能，進行零點位置的確定。首先通過A 通道進行閾值電壓的判斷，當接收信號的幅值超過參考電平時，OA端輸出鎖存為高電平。然后再通過B通道得到相鄰的下一個出現(xiàn)的過零點，同時進行鎖存為高電平。這樣就得到在過零點前保持低電平、過零點后保持高電平的波形，便于后續(xù)的計時模塊進行信號時間處理。具體信號處理過程如圖3所示，其中r為閾值電壓，V+為參考電壓[5]。

圖2 過零檢測設(shè)計電路Fig.2 Zero-crossing detection design circuit

圖3 過零檢測信號處理波形圖Fig.3 Zero-crossing detection signal processing waveform

實際中系統(tǒng)不能準確采樣到首個過零點，同時，當外界對波形產(chǎn)生干擾時，造成閾值電壓在判斷波形出現(xiàn)時的時機不當問題，進而影響后面的過零點鎖存。

2.2 互相關(guān)算法

傳統(tǒng)的互相關(guān)檢測法利用互相關(guān)計算信號時延的原理進行傳播時間的計算，對噪聲的免疫性是其最大的優(yōu)點。其中，傳播時間為超聲波換能器發(fā)出激發(fā)脈沖信號到超聲波接收到信號的時間。

基于超聲波的特點，典型的超聲波信號可以由公式(5)表述：

其中，s(t)為超聲波換能器的發(fā)射信號，τi為時間延遲，αi為衰減因子，ni(t)為與s(t)不相關(guān)的零均值高斯白噪聲，T為信號觀測時間。

對于參考信號和回波接收信號r1(t)、s2(t)可表述為

離散化處理后可得[6]

在確定r1(nTs)、s2(nTs)的情況下，對這兩個序列進行相關(guān)運算，得到

其中，Rrs(τ)為互相關(guān)計算結(jié)果。通過求解相關(guān)函數(shù)的最大值，即可求得兩信號的時差τ。其具體的工作原理如圖4所示。

圖4 互相關(guān)算法原理圖Fig.4 Schematic diagram of cross-correlation algorithm

為減少計算量，華志斌[7]通過引入極性相關(guān)算法來達到類似的效果，但在實際系統(tǒng)中仍然運算量較大，系統(tǒng)的實時性不好。

2.3 分析應(yīng)用

對于使用超聲波流量計檢測的管道內(nèi)部來說，液體流速的變化在短時間內(nèi)不存在突變，相鄰兩次的波形對于外部干擾的問題不敏感，對于互相關(guān)的計算存在先天優(yōu)勢。文中將上一次的接收信號存儲并作為參考信號，與本次的接收信號進行互相關(guān)計算。在過零檢測方法中已經(jīng)得到一個過零點時間值，結(jié)合互相關(guān)算法再對這一數(shù)據(jù)做驗證和補償。具體工作原理如圖5所示。

假設(shè)發(fā)射換能器的發(fā)射波形時間為t0，由過零檢測得到的過零點時刻值為tz，由互相關(guān)算法得到的時間位移為τ，順流或逆流下的時間差測量方式相同，分別設(shè)為ts、tn，則

其中，tcorrection為修正時間，包括管壁誤差、電路延遲以及流體流態(tài)等造成的影響時間[8]。

圖5 時間差自補償原理圖Fig.5 Schematic diagram of time difference selfcompensation

當零點取值因干擾的出現(xiàn)較為靠后時，與參考波形做互相關(guān)算法時，移位時間τ為負值；當零點取值靠前時，移位時間值τ為正值。過零檢測所存在的誤差總會被互相關(guān)算法所補償，從而保證了測量得到時間差的準確性。同時，計算量得到大幅減少，增強了系統(tǒng)的實時性。

3 實驗驗證

由于文中研究的重點是提高超聲波測量計的時間差測量的準確度，所以為避免管道、流體流態(tài)等不可控因素的干擾，驗證時采用改變超聲波探頭的距離來進行。因?qū)嶒炘诳諝庵羞M行，超聲波的波速定為341.3 m/s。將發(fā)射探頭固定，換能器的激勵脈沖信號的頻率為40 kHz，調(diào)整接收探頭距離位置，保證發(fā)射接收電路以及過零檢測電路的參數(shù)不變。實驗中初始距離為3 cm，每次增加2 cm，多次測量。通過采樣電路對接收信號進行采樣并導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件進行相關(guān)性計算，得到τ值。同時，將本次的采樣信號作為下一次測量計算的參考波形。根據(jù)公式(9)計算得出測量值。

圖6為接收換能器接收到超聲波信號后的采樣后處理圖像。如圖7所示，通過計算，得出此例接收波形與參考波形相關(guān)性的τ值絕對值為85 ns。實驗中將計算得到的傳播時間定義為對比值，實驗得到的傳播時間為測量值，測量結(jié)果如表1所示。由表1可知，誤差較為穩(wěn)定且普遍小于0.8%；首次測量時，系統(tǒng)參考波形參數(shù)設(shè)置沒有基于實際情況，會選用某一波形作為參照波形，這也導(dǎo)致首次互相關(guān)計算時比之后的值誤差較大，因此在表1中第一個測量值的誤差會達到0.73%。

圖6 超聲波參考信號Fig.6 Ultrasonic reference signal

圖7 超聲波互相關(guān)計算Fig.7 Calculation of ultrasonic cross-correlation

表1 實驗測量數(shù)據(jù)Table 1 Experimental measurement data

4 結(jié)論

文中研究了超聲波時差法測量管道順逆流時間的問題，在過零檢測的基礎(chǔ)上，提出了互相關(guān)自補償?shù)臏y量方式。通過過零檢測電路實現(xiàn)零點檢測，對超聲波參考波形和接收波形進行采樣，并進行互相關(guān)補償計算，保證實時性的同時，提高測量準確性。通過對比實驗測量數(shù)據(jù)與理論值，經(jīng)過計算誤差均小于0.8%，驗證了此方式下提高超聲波流量計準確度的可行性。