近幾年來(lái)，超聲波流量計(jì)由于其非接觸式，不受流體物理化學(xué)性質(zhì)影響的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。對(duì)時(shí)差式超聲波流量計(jì)而言，精確地測(cè)量超聲波傳播的時(shí)間是提高測(cè)量精度的關(guān)鍵，而在當(dāng)前測(cè)時(shí)芯片精度已經(jīng)達(dá)到ps級(jí)別的基礎(chǔ)上，要提高測(cè)量精度的關(guān)鍵就在于準(zhǔn)確判斷超聲波形到達(dá)的時(shí)刻。超聲波信號(hào)的波形對(duì)準(zhǔn)確判斷超聲波到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)顯得尤為關(guān)鍵。因此本文提出一種新的方法來(lái)對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行處理判斷，以期更準(zhǔn)確判斷超聲波信號(hào)到達(dá)時(shí)間，從而提高超聲波流量計(jì)測(cè)量精度。

1 測(cè)量原理

時(shí)差法是根據(jù)超聲波在流體中順流與逆流的傳播時(shí)間差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系來(lái)求流速的方法。其本質(zhì)是超聲波在流體中的傳播速度受到流體流動(dòng)的影響，在順流和逆流時(shí)測(cè)出的時(shí)間會(huì)不同，因此再根據(jù)測(cè)出時(shí)間的差值就可以計(jì)算出流體的流速，也就可以計(jì)算出流體的流量。其原理圖如圖1所示：逆流換能器和順流換能器相對(duì)于管道軸線的安裝角度為θ，管道直徑為D，兩換能器直線距離為L(zhǎng)，流體流速V。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)工作原理

測(cè)量時(shí)，逆流換能器和順流換能器交替作為接收和發(fā)射超聲波端。超聲波的實(shí)際傳播速度c₀是聲速c和流體在聲道方向上的速度分量νcosθ的和：

    （1）

此時(shí)，順逆流傳播時(shí)間為：

    （2）

由上式可得到順逆流時(shí)間差為：

    （3）

由于一般超聲流量計(jì)最大可測(cè)流速在10m/s左右，而聲音在流體中傳播速度約為1500m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流體流速，所以可以近似得到順逆流時(shí)間差為：

    （4）

相應(yīng)的，流體流速流量公式可以表示如下：

    （5）

     （6）

由公式（5）可知超聲波順逆流傳播時(shí)間的測(cè)量精度直接影響到流速的測(cè)量精度和測(cè)量范圍。

2 脈沖序列法

脈沖序列法，它是在電平比較法的基礎(chǔ)上引申出來(lái)的一種信號(hào)處理方法，其示意圖如圖2所示。系統(tǒng)中選擇一個(gè)參考電平（閾值）對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行比較得到比較后的方波信號(hào)，測(cè)量方波信號(hào)的前六個(gè)上升沿和下降沿時(shí)間，也就是圖中的t1、t2、t3、t4、t5和t6，同時(shí)記錄得到的方波信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)。得到這六個(gè)時(shí)間點(diǎn)和方波信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)之后，就可以根據(jù)脈沖序列法的判斷標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行分析，判斷超聲信號(hào)的質(zhì)量是否滿足計(jì)算流速流量的條件。

圖2 脈沖序列法示意圖

脈沖序列法主要是根據(jù)圖示中方波信號(hào)的脈沖序列的脈寬時(shí)間來(lái)進(jìn)行判斷，由于硬件電路測(cè)時(shí)的限制，這里只能測(cè)量前三個(gè)脈沖的脈寬時(shí)間，考慮到脈寬時(shí)間基本滿足先增后減的規(guī)律，我們選取差距較大的第一個(gè)脈沖和第三個(gè)脈沖的脈寬時(shí)間進(jìn)行判斷。這里我們選取的判斷準(zhǔn)則是限定第三個(gè)脈沖脈寬時(shí)間和第一個(gè)脈沖脈寬時(shí)間的比值a在一定范圍內(nèi)，那么關(guān)于這個(gè)范圍的選取就是這個(gè)方法的重點(diǎn)。由于這個(gè)比值與超聲信號(hào)的幅值和選取的參考電平大小都有一定關(guān)系，根據(jù)要求我們這里設(shè)定參考電平為1V，超聲信號(hào)的第一個(gè)周期峰值選在1.5V左右，而實(shí)際情況中難以精確保證信號(hào)第一個(gè)周期峰值在1.5V，因此可以設(shè)定峰值為1.3V到1.8V之間。

超聲波信號(hào)的包絡(luò)線為調(diào)幅載波的調(diào)制信號(hào)，其數(shù)學(xué)模型為指數(shù)衰減的高斯脈沖信號(hào)，確定函數(shù)后通過(guò)仿真獲得超聲信號(hào)第一個(gè)周期峰值分別為1.3V和1.8V的理論時(shí)間數(shù)值如表1所示：

表1 第一周期峰值與脈沖序列脈寬比值的關(guān)系

由表1數(shù)據(jù)顯示，我們看到時(shí)間數(shù)據(jù)都是ns級(jí)的，而計(jì)時(shí)芯片TDC－GP2的分辨率達(dá)到ps級(jí)，因此TDC－GP2能夠滿足測(cè)量時(shí)間的分辨率。但是理想超聲波形和實(shí)際接收的超聲波形的時(shí)間值還是會(huì)有一定的差距，因此我們對(duì)于脈寬時(shí)間的比值范圍選取適當(dāng)擴(kuò)大一點(diǎn)，這里暫時(shí)設(shè)定為：1.4≤△t3/△t1≤1.9。當(dāng)然，具體的范圍可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況再做調(diào)整。

在判斷好脈寬時(shí)間的比值在限定范圍后，我們還需要根據(jù)脈沖個(gè)數(shù)來(lái)判斷順逆流兩種情況下捕獲的相應(yīng)時(shí)間點(diǎn)在同一個(gè)周期波形上，如果順逆流捕獲的時(shí)間不在同一個(gè)周期波形上，那么在計(jì)算順逆流傳播時(shí)間差時(shí)會(huì)存在一個(gè)或者多個(gè)周期的誤差。因此，我們需要判斷順逆流兩種情況下由參考電平比較過(guò)后的脈沖個(gè)數(shù)是相等的，由仿真圖形可以暫定脈沖個(gè)數(shù)在5～7個(gè)之間為正常。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

建立基于脈沖序列法時(shí)差法超聲波流量計(jì)系統(tǒng)后，在25mm管道上對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先系統(tǒng)測(cè)量了脈沖序列法所需的六個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)用以檢驗(yàn)脈沖序列法的效果，其測(cè)量數(shù)值如表2所示：

表2 脈沖序列法6個(gè)時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)

根據(jù)表2中給出的數(shù)據(jù)我們可以看到與其他數(shù)據(jù)相比第3組數(shù)據(jù)和第6組數(shù)據(jù)有較大的差異。其中第3組數(shù)據(jù)中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)相比其它幾組數(shù)據(jù)都大了1μs左右，這是因?yàn)樗牡谝粋€(gè)正向半波受到衰減導(dǎo)致其峰值小于系統(tǒng)設(shè)置的參考電平甚至衰減為零，因此采集到的六個(gè)時(shí)間點(diǎn)比預(yù)計(jì)時(shí)間后延了一個(gè)周期。這種情況下它所產(chǎn)生的方波信號(hào)脈沖個(gè)數(shù)可能會(huì)不滿足條件，即使脈沖個(gè)數(shù)仍然在設(shè)定范圍內(nèi)，但是順逆流兩次測(cè)量中如果只產(chǎn)生一次這種狀態(tài)，那么在判斷順逆流脈沖個(gè)數(shù)是否相等時(shí)也可以剔除這組數(shù)據(jù)，因此通過(guò)本論文提出的脈沖序列法進(jìn)行判斷可以去除這組數(shù)據(jù)給最終測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差。而第6組數(shù)據(jù)每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)都與其他組的數(shù)據(jù)有一些偏差，比較明顯的是前兩個(gè)數(shù)據(jù)差距較大，通過(guò)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)第一個(gè)脈沖脈寬時(shí)間大大減小，其數(shù)值為0.10313μs，而第一個(gè)脈沖與第三個(gè)脈沖脈寬時(shí)間的比值為3.64254，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他幾組數(shù)據(jù)的比值，明顯超出系統(tǒng)設(shè)定比值范圍，因此可以根據(jù)這個(gè)判斷準(zhǔn)則剔除這組數(shù)據(jù)。

本文在驗(yàn)證了脈沖序列法的效果之后，根據(jù)基于脈沖序列法的時(shí)差法超聲波流量計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了流量測(cè)量驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)采集了5個(gè)流速測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)處進(jìn)行多次測(cè)量并將本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流量計(jì)測(cè)量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，得到數(shù)據(jù)如表3所示：

表3

由表3的數(shù)據(jù)可知，25mm口徑管道流速在0.2～4m/s范圍內(nèi)精度都在1%左右，重復(fù)性在0.5%左右。根據(jù)GB/T778.1－1996標(biāo)準(zhǔn)可知口徑為25mm的管道常用流量為3.5m³/h，在該流量處測(cè)量精度和重復(fù)性均在0.6%左右，與市面上一些時(shí)差法超聲波液體流量計(jì)的精度和重復(fù)性相比有了一定的提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)時(shí)差法超聲波流量計(jì)基礎(chǔ)上提出了一種新的方法，基于脈沖序列法的時(shí)差法超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。