一種λ型互相關(guān)時差法超聲波流量檢測方法
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柏思忠
（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400039）
摘要：對超聲波氣體流量檢測主流方法（Z型時差法、V型時差法和平行相關(guān)法）的優(yōu)缺點進行了分析，提出了一種λ型互相關(guān)時差法超聲波流量檢測方法。該方法采用兩對換能器，一對垂直中軸線安裝，另一對與中軸線成0角安裝。同側(cè)換能器同時在相同介質(zhì)中發(fā)射相同波形，傳播不同行程后查找互相關(guān)性，計算相對時差，根據(jù)順流和逆流時差計算流速和流量。試驗表明，λ型檢測方法的示值相對誤差小于0. 05%，是一種精度高、簡單、實用的超聲波流量檢測方法。
關(guān)鍵詞：超聲波流量計檢測 時差法平行相關(guān)法儀器儀表氣體傳播速度信號衰減
0引言
超聲波氣體流量計的起源可以追溯到20世紀70年代，其憑借準確度高、重復(fù)性好、無可動部件、本體無壓損和適合于大口徑、大流量計量等優(yōu)點異軍突起。在工業(yè)應(yīng)用中較為廣泛的超聲波氣體流量主流檢測方法分別是Z型時差法、V型時差法和平行相關(guān)法。Z型時差法的優(yōu)點是具有信號檢測功能、安裝簡單等；缺點是測量對象是絕對時間，電路延時、接收波形判決、雜質(zhì)、環(huán)境干擾和電磁輻射等因素都會影響測量精度。V型時差法具有單側(cè)安裝、行程長等優(yōu)點；但具有要求管壁內(nèi)側(cè)光滑、信號衰減大、管道壁厚形成偏差等缺點。平行相關(guān)法的優(yōu)點是不受電路延時、相同干擾的影響；缺點是接收端對信號幅度敏感、工作持續(xù)時間長、功耗大。針對這三種主要的測量方法，提出了一種結(jié)合三種方法優(yōu)點的λ型互相關(guān)時差法。
1λ型理論模型
1.1λ型安裝模型
在過管道中軸線的同一平面（實際上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。兩對超聲波換能器安裝形狀如字母“λ”，A、B為一對，C、D為一對。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d．，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<1800且θ≠900)安裝。
1.2λ型基本理論分析
假設(shè)該管段的前后直管段長度足夠，滿足流場充分發(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)展管道中流動時，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%（無論是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，d．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、流場等條件基本一致。抽象出理論模型時，可以認為超聲波在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)中心對稱形狀的管道充分發(fā)展流中，橫截面上的流場分布呈現(xiàn)中心對稱的規(guī)律。換能器AB和CD中心連線無論是正向傳播(A一B、C-÷D)還是逆向傳播(B-yA、D_÷C)，經(jīng)過流場時的特性相同，正向和逆向傳播距離保持不變。
2λ型檢測法
2.1互相關(guān)法檢測時差[14]
發(fā)射信號s(t)經(jīng)過不同的傳播途徑L．和L到達接收端，分別形成接收信號R．(t)和R：(t)，在有效的時間區(qū)間[ to，to+F]內(nèi)，對Ri和R2進行互相關(guān)運算。
互相關(guān)函數(shù)R（r）最大值對應(yīng)的時刻就是s(t)經(jīng)過不同傳播途徑L，和L的時差。
2.2互相關(guān)法檢測順流時差
2.4λ型檢測方法
經(jīng)過以上分析，管道流速v= f(D，L，p，c，△≠，，At2)是AB中心線長度（管道直徑）D、CD中心線長度L、CD中心線與管道中軸線夾角p、超聲波在管道中的傳播速度c、順流時傳播時差缸，和逆流時傳播時差A(yù)t，的函數(shù)。D、L、口三個參數(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；△f．、At2是實際測量獲得；c受介質(zhì)、溫度的影響較大，需要溫度等因素進行修正和補償，會影響測量效果，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。
考慮到超聲波換能器AB中心線距離D和CD中心線距離L滿足關(guān)系式(5):
代人式(3)，令：
可將式(3)簡化為式(6)，將式(4)簡化為式(7)：
3λ型檢測方法優(yōu)缺點
3.1消除介質(zhì)和環(huán)境因素影響
λ型檢測法采用相同波形同時在相同介質(zhì)中傳播不同行程，查找接收信號的互相關(guān)性。雖然信號在傳輸過程中會受介質(zhì)和環(huán)境因素影響發(fā)生畸變，但兩路信號在相同的介質(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，接收端的最大互相關(guān)檢測就不受影響。
3.2降低接收端判決要求
平行安裝法的接收端互相關(guān)檢測是在持續(xù)波形中找到介質(zhì)隨機調(diào)制的相似性，信號幅度變化是個敏感量，判決要求高。對于λ型檢測法，接收信號是一個時限信號，只需要在接收端檢測有信號時兩者互相關(guān)的最大值即可，同時還可以調(diào)節(jié)安裝角度0，增大行程差，增加接收信號的時差，降低接收判決的困難程度。
3.3避免測量絕對時間
超聲波信號的“拖尾”現(xiàn)象，決定了接收端是一個持續(xù)一定時長的多周期信號，能否準確定位接收信號的接收時刻會影響測量的絕對時間。同時，超聲波換能器的壓電轉(zhuǎn)換慣性遲滯和電路延時也會影響超聲波傳播絕對時間的測量。
λ型檢測法采用相同的超聲波換能器、相同的發(fā)射信號、相同的管段、相同的介質(zhì)和不同的行程，用最大互相關(guān)法檢測兩種情況下的相對時差。一方面測量相對時差消除了超聲波換能器和電路固有時延的影響；另一方面接收端直接計算兩個接收信號的互相關(guān)最大值，不需要準確定位某個接收信號到達的絕對時刻，減少了測量傳播時間的影響因素。
3.4避免反射衰減
對于V型互相關(guān)檢測法，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、衰減大。λ型檢測法采用對射技術(shù)，對流量管道內(nèi)壁的反射系數(shù)沒有要求，行程短、衰減小。
3.5增加硬件成本
相比Z型時差法和V型互相關(guān)超聲波流量檢測方式只用一對超聲波換能器，λ型檢測法采用兩對超聲波換能器，在硬件上需要增加一對超聲波換能器。相比Z型時差法直接判決接收信號的到達時刻，λ型檢測法接收端采用高速數(shù)據(jù)采樣進行最大互相關(guān)檢測，硬件成本也會增加。
3.6增加軟件復(fù)雜度
λ型檢測法接收信號進行互相關(guān)檢測時，不同管徑、不同流速和不同精度對互相關(guān)算法數(shù)據(jù)量的多少和處理要求都不一樣，整體比Z型時差法、V型和平行安裝的互相關(guān)檢測法復(fù)雜程度要高。
4實驗驗證
在兩條滑軌的夾具上固定2對相同型號的超聲波換能器，放置到風(fēng)洞中，改變流速和換能器之間的距離，用實時采樣速率為200 MS/s的泰克示波器(型號：TDS2022B)測試接收端波形時差，數(shù)據(jù)如表1所示。
由表1可知，在最嚴酷的小管徑低流速測試條件下，計算結(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相關(guān)標準要求。
5結(jié)束語
本文分析了超聲波氣體流量主流檢測方法Z型時差法、V型反射和平行安裝互相關(guān)檢測法的優(yōu)點和缺點，并針對各自的缺點，結(jié)合它們的優(yōu)點，提出了一種全新的λ型檢測法。λ型檢測法采用兩對超聲波換能器成λ型安裝，采用對射方式。接收端判決采用最大互相關(guān)算法測量順流和逆流相對時差，避免了反射方式信號衰減大、測量絕對時間影響因素多、接收信號持續(xù)存在檢測調(diào)制相關(guān)性要求高等問題。最后經(jīng)過實驗驗證，λ型檢測法是一種測量精度高、簡單、實用的超聲波氣體流量計檢測方法。
