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 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 太原 030051)

0 引言

隨著各領域的技術革新，能源計量、環境保護、交通運輸等應用領域對流量測量需求的牽引，使得流量計的使用量迅速增長。使用傳統流量計對工業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，且相較于傳統流量計性價比較高。其中，又以時差式超聲波流量計最具發展潛力。超聲波流量計的測量精度涉及領域廣，較為復雜。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的測量精確度。因此準確地計算出時間差是整個測量系統需要處理的關鍵問題[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，通過系統控制換能器切換發射和接收工作狀態，測量超聲波在管道內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

結合時差法流量計的工作原理，瞬時體積流量計算公式推導如下：

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為線流速轉化為面流速的補償系數。

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聲速、流速所導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性質的影響因素，通過參考電平芯片和比較器芯片設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

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

2.2 互相關算法

傳統的互相關檢測法利用互相關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點。其中，傳播時間為超聲波換能器發出激發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射信號，τi為時間延遲，αi為衰減因子，ni(t)為與s(t)不相關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運算，得到

其中，Rrs(τ)為互相關計算結果。通過求解相關函數的最大值，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]通過引入極性相關算法來達到類似的效果，但在實際系統中仍然運算量較大，系統的實時性不好。

2.3 分析應用

對于使用超聲波流量計檢測的管道內部來說，液體流速的變化在短時間內不存在突變，相鄰兩次的波形對于外部干擾的問題不敏感，對于互相關的計算存在先天優勢。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計算。在過零檢測方法中已經得到一個過零點時間值，結合互相關算法再對這一數據做驗證和補償。具體工作原理如圖5所示。

假設發射換能器的發射波形時間為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較為靠后時，與參考波形做互相關算法時，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。因實驗在空氣中進行，超聲波的波速定為341.3 m/s。將發射探頭固定，換能器的激勵脈沖信號的頻率為40 kHz，調整接收探頭距離位置，保證發射接收電路以及過零檢測電路的參數不變。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入數據分析軟件進行相關性計算，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，測量結果如表1所示。由表1可知，誤差較為穩定且普遍小于0.8%；首次測量時，系統參考波形參數設置沒有基于實際情況，會選用某一波形作為參照波形，這也導致首次互相關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 超聲波互相關計算Fig.7 Calculation of ultrasonic cross-correlation

表1 實驗測量數據Table 1 Experimental measurement data

4 結論

文中研究了超聲波時差法測量管道順逆流時間的問題，在過零檢測的基礎上，提出了互相關自補償的測量方式。通過過零檢測電路實現零點檢測，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據與理論值，經過計算誤差均小于0.8%，驗證了此方式下提高超聲波流量計準確度的可行性。