基于相關(guān)法的豎管內置式超聲流量測量設計

摘要 針對特定環(huán)境下，在管外壁安裝探頭不便的情況，設計了將探頭內置在管內與流動(dòng)方向平行的超聲波流量測量方式和相應裝置，在計算時(shí)間差時(shí)，采用相關(guān)法計算時(shí)間差，相關(guān)法本身具有一定的濾波去噪特性，提高了時(shí)間差的測量精度。系統硬件設計了超聲波發(fā)射、接收及放大電路，采用高速模數轉換器數字化接收信號。實(shí)驗表明，電路產(chǎn)生的脈沖幅度高、寬度窄，能有效地激勵超聲換能器。波形進(jìn)行采樣相關(guān)處理后的計算值與實(shí)際值誤差很小，提高了所求時(shí)間差的精度，從而更好的進(jìn)行流量計算。
關(guān)鍵詞 超聲波流量測量；時(shí)間差；相關(guān)法；高精度

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，流量測量是應用廣泛的測量物理量。在特殊情況下，如豎直油井等不易管道外置安裝探頭時(shí)，需要設計一種儀器設備對管內安裝進(jìn)行測試流量。在實(shí)際情況中，由于探頭內置在被測液體中，發(fā)射接收的波形會(huì )受干擾，所以本設計主要針對采用相關(guān)法原理設計的超聲波流量計對液體流量進(jìn)行測量。在測量系統中流動(dòng)噪聲可利用傳感器檢測，而相關(guān)法測量延時(shí)的特點(diǎn)是抵御噪聲的能力強，只要干擾噪聲與接收信號不相關(guān)，測量結果就不受干擾噪聲的影響，采用兩組探頭，把發(fā)射信號和接收的信號做相關(guān)運算處理，得出較好的波形。

1 測量原理
當超聲波在液體中傳播時(shí)，與液體流動(dòng)方向相同或相反時(shí)，超聲波傳輸時(shí)間不同。在本次設計中，將采用探頭相對并且浸在被測液體中，整體的檢測部分在管內進(jìn)行。設計如圖1所示若在固定長(cháng)度L的距離內，分別放置兩組超聲波發(fā)送器S1、S2和接收器R1、R2，則對于順流和逆流有。

式(1)和式(2)中，C為超聲波在靜止流體內的傳播速度；V為流體流動(dòng)的速度；T1為順流傳播所需要的時(shí)間；T2為逆流傳播所需要的時(shí)間。
由式(1)變形得

由發(fā)射信號和接收信號做相關(guān)，可以測得傳輸時(shí)間。相關(guān)法主要是指兩路信號之間的相似性，其中一路信號較另一路信號有一個(gè)時(shí)間上的延遲。對兩路信號的互相關(guān)函數進(jìn)行計算，并計算出對應于最相似時(shí)所對應的時(shí)間，即互相關(guān)函數的峰值點(diǎn)所對應的間，即為渡越時(shí)間τ。
超聲波換能器發(fā)出一個(gè)信號x(t)，超聲波換能器收到一個(gè)信號y(t)，理論上信號y(t)是信號x(t)的一個(gè)延時(shí)信號，兩個(gè)信號的波形相似，只是在時(shí)間軸上有時(shí)間間隔△t=t2-t1的兩組信號，由相關(guān)理論計算出這兩個(gè)信號的相關(guān)函數Rxy(τ)，表達式為