對(duì)超聲波氣體流量檢測(cè)主流方法( Z 型時(shí)差法、V 型時(shí)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(shí)差法超聲波流量檢測(cè)方法。該方法采用兩對(duì)換能器，一對(duì)垂直中軸線安裝，另一對(duì)與中軸線成 θ 角安裝。同側(cè)換能器同時(shí)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(jì)算相對(duì)時(shí)差，根據(jù)順流和逆流時(shí)差計(jì)算流速和流量。試驗(yàn)表明，λ 型檢測(cè)方法的示值相對(duì)誤差小于 0． 05% ，是一種精度高、簡(jiǎn)單、實(shí)用的超聲波流量檢測(cè)方法。

0.引言

超聲波氣體流量計(jì)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(wú)可動(dòng)部件、本體無(wú)壓損和適合于大口徑、大流量計(jì)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(cè)方法分別是 Z 型時(shí)差法、V 型時(shí)差法和平行相關(guān)法。。Z 型時(shí)差法的優(yōu)點(diǎn)  是具有信號(hào)檢測(cè)功能、安裝簡(jiǎn)單等; 缺點(diǎn)是測(cè)量對(duì)象是時(shí)間，電路延時(shí)、接收波形判決、雜質(zhì)、環(huán)境干擾和電磁輻射等因素都會(huì)影響測(cè)量精度。V 型時(shí)差法具有單側(cè)安裝、行程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn); 但具有要求管壁內(nèi)側(cè)光滑、信號(hào)衰減大、管道壁厚形成偏差等缺點(diǎn)。平行相關(guān)法 的優(yōu)點(diǎn)是不受電路延時(shí)、相同干擾的影響; 缺點(diǎn)是接收端對(duì)信號(hào)幅度敏感、工作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、功耗大。針對(duì)這三種主要的測(cè)量方法，提出了一種結(jié)合三種方法優(yōu)點(diǎn)的 λ 型互相關(guān)時(shí)差法。

1.λ 型理論模型

1． 1 λ 型安裝模型

在過(guò)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(duì)超聲波換能器安裝形狀如字母“λ”，A、B 為一對(duì)，C、D 為一對(duì)。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。

1.2． 2 λ 型基本理論分析

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

1． 2． 1 AB 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(dòng)時(shí)，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(wú)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(chǎng)等條件基本一致。抽象出理論模型時(shí)，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(duì)稱形狀的管道充分發(fā)展流中，橫截面上的流場(chǎng)分布呈現(xiàn)中心對(duì)稱的規(guī)律。換能器 AB 和 CD 中心連線無(wú)論是正向傳播 ( A →B、 C→D) 還是逆向傳播( B→A、D→C) ，經(jīng)過(guò)流場(chǎng)時(shí)的特性相同，正向和逆向傳播距離保持不變。

2.λ 型檢測(cè)法

2． 1 互相關(guān)法檢測(cè)時(shí)差

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

2． 2 互相關(guān)法檢測(cè)順流時(shí)差

如圖 1 所示，換能器 A 和 C 作為發(fā)射端，換能器 B和 D 作為接收端。超聲波在管道內(nèi)傳播速度為 c，管道直徑為 D，換能器 CD 中心線長(zhǎng)度為 L，它和管道中軸線夾角為 θ，管道中氣體流速為 v。超聲波沿 A→B和 C→D 兩種不同途徑傳播時(shí)，A→B 的傳播方向和管道內(nèi)氣體流速方向垂直，氣體流動(dòng)速度在 AB 中心線上無(wú)正交分量，超聲波在 A→B 的傳播時(shí)間為 Dc ; C→D 的傳播方向和管道內(nèi)氣體流速方向夾角為 θ，氣體流動(dòng)速度在 CD 中心線上分解分量為 vcosθ，超聲波傳播方向?yàn)轫樍鞣较?，?C→D 的傳播方向上合成速度

2． 3 互相關(guān)法檢測(cè)逆流時(shí)差

如圖 1 所示，換能器 B 和 D 作為發(fā)射端，換能器 A和 C 作為接收端。超聲波傳播途徑 B→A 和 D→C，與順流不同的情況是，D→C 超聲波傳播方向?yàn)槟媪鞣较?，?D→C 的傳播方向上合成速度為 c － vcosθ; 超聲波在 D→C 的傳播時(shí)間為

2． 4 λ 型檢測(cè)方法

經(jīng)過(guò)以上分析，管道流速 v = f( D，L，θ，c， t1 ， t2 ) 是 AB 中心線長(zhǎng)度( 管道直徑) D、CD 中心線長(zhǎng)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(shí)傳播時(shí)差 t1 和逆流時(shí)傳播時(shí)差 t2 的函數(shù)。D、L、θ 三個(gè)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; t1 、 t2 是實(shí)際測(cè)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(huì)影響測(cè)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(gè)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.λ 型檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)

3． 1  消除介質(zhì)和環(huán)境因素影響

型檢測(cè)法采用相同波形同時(shí)在相同介質(zhì)中傳播不同行程，查找接收信號(hào)的互相關(guān)性。雖然信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受介質(zhì)和環(huán)境因素影響發(fā)生畸變，但兩路信號(hào)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***大互相關(guān)檢測(cè)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(cè)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(hào)幅度變化是個(gè)敏感量，判決要求高。對(duì)于 λ 型檢測(cè)法，接收信號(hào)是一個(gè)時(shí)限信號(hào)，只需要在接收端檢測(cè)有信號(hào)時(shí)兩者互相關(guān)的***大值即可，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)安裝角度 θ，增大行程差，增加接收信號(hào)的時(shí)差，降低接收判決的困難程度。

3． 3 避免測(cè)量時(shí)間

超聲波信號(hào)的“拖尾”現(xiàn)象，決定了接收端是一個(gè)持續(xù)一定時(shí)長(zhǎng)的多周期信號(hào)，能否準(zhǔn)確定位接收信號(hào)的接收時(shí)刻會(huì)影響測(cè)量的時(shí)間。同時(shí)，超聲波換能器的壓電轉(zhuǎn)換慣性遲滯和電路延時(shí)也會(huì)影響超聲波

傳播時(shí)間的測(cè)量。

λ 型檢測(cè)法采用相同的超聲波換能器、相同的發(fā)射信號(hào)、相同的管段、相同的介質(zhì)和不同的行程，用***大互相關(guān)法檢測(cè)兩種情況下的相對(duì)時(shí)差。一方面測(cè)量相對(duì)時(shí)差消除了超聲波換能器和電路固有時(shí)延的影響; 另一方面接收端直接計(jì)算兩個(gè)接收信號(hào)的互相關(guān)***大值，不需要準(zhǔn)確定位某個(gè)接收信號(hào)到達(dá)的時(shí)刻，減少了測(cè)量傳播時(shí)間的影響因素。

3． 4 避免反射衰減

對(duì)于 V 型互相關(guān)檢測(cè)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(zhǎng)、衰減大。λ 型檢測(cè)法采用對(duì)射技術(shù)，對(duì)流量管道內(nèi)壁的反射系數(shù)沒(méi)有要求，行程短、衰減小。

3． 5 增加硬件成本

相比 Z 型時(shí)差法和 V 型互相關(guān)超聲波流量檢測(cè)方式只用一對(duì)超聲波換能器，λ 型檢測(cè)法采用兩對(duì)超聲波換能器，在硬件上需要增加一對(duì)超聲波換能器。

相比 Z 型時(shí)差法直接判決接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，λ 型檢測(cè)法接收端采用高速數(shù)據(jù)采樣進(jìn)行***大互相關(guān)檢測(cè)，硬件成本也會(huì)增加。

3． 6 增加軟件復(fù)雜度

λ 型檢測(cè)法接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)檢測(cè)時(shí)，不同管徑、不同流速和不同精度對(duì)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(shí)差法、V 型和平行安裝的互相關(guān)檢測(cè)法復(fù)雜程度要高。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在兩條滑軌的夾具上固定 2 對(duì)相同型號(hào)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(shí)采樣速率為 200 MS /s 的泰克示波器( 型號(hào):TDS2022B) 測(cè)試接收端波形時(shí)差，數(shù)據(jù)如表 1 所示。

由表 1 可知，在***嚴(yán)酷的小管徑低流速測(cè)試條件下，計(jì)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(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求 。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文分析了超聲波氣體流量主流檢測(cè)方法 Z 型時(shí)差法、V 型反射和平行安裝互相關(guān)檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并針對(duì)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(cè)法。λ 型檢測(cè)法采用兩對(duì)超聲波換能器成 λ 型安裝，采用對(duì)射方式。接收端判決采用***大互相關(guān)算法測(cè)量順流和逆流相對(duì)時(shí)差，避免了反射方式信號(hào)衰減大、測(cè)量時(shí)間影響因素多、接收信號(hào)持續(xù)存在檢測(cè)調(diào)制相關(guān)性要求高等問(wèn)題。***后經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，λ 型檢測(cè)法是一種測(cè)量精度高、簡(jiǎn)單、實(shí)用的超聲波氣體流量計(jì)檢測(cè)方法。