基于相關(guān)法的豎管內(nèi)置式超聲流量測(cè)量設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)特定環(huán)境下，在管外壁安裝探頭不便的情況，設(shè)計(jì)了將探頭內(nèi)置在管內(nèi)與流動(dòng)方向平行的超聲波流量測(cè)量方式和相應(yīng)裝置，在計(jì)算時(shí)間差時(shí)，采用相關(guān)法計(jì)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(cè)量精度。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射、接收及放大電路，采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化接收信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，電路產(chǎn)生的脈沖幅度高、寬度窄，能有效地激勵(lì)超聲換能器。波形進(jìn)行采樣相關(guān)處理后的計(jì)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(jì)算。
關(guān)鍵詞 超聲波流量測(cè)量；時(shí)間差；相關(guān)法；高精度

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，流量測(cè)量是應(yīng)用廣泛的測(cè)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(shè)計(jì)一種儀器設(shè)備對(duì)管內(nèi)安裝進(jìn)行測(cè)試流量。在實(shí)際情況中，由于探頭內(nèi)置在被測(cè)液體中，發(fā)射接收的波形會(huì)受干擾，所以本設(shè)計(jì)主要針對(duì)采用相關(guān)法原理設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)對(duì)液體流量進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量系統(tǒng)中流動(dòng)噪聲可利用傳感器檢測(cè)，而相關(guān)法測(cè)量延時(shí)的特點(diǎn)是抵御噪聲的能力強(qiáng)，只要干擾噪聲與接收信號(hào)不相關(guān)，測(cè)量結(jié)果就不受干擾噪聲的影響，采用兩組探頭，把發(fā)射信號(hào)和接收的信號(hào)做相關(guān)運(yùn)算處理，得出較好的波形。

1 測(cè)量原理
當(dāng)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(shè)計(jì)中，將采用探頭相對(duì)并且浸在被測(cè)液體中，整體的檢測(cè)部分在管內(nèi)進(jìn)行。設(shè)計(jì)如圖1所示若在固定長(zhǎng)度L的距離內(nèi)，分別放置兩組超聲波發(fā)送器S1、S2和接收器R1、R2，則對(duì)于順流和逆流有。

式(1)和式(2)中，C為超聲波在靜止流體內(nèi)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(hào)和接收信號(hào)做相關(guān)，可以測(cè)得傳輸時(shí)間。相關(guān)法主要是指兩路信號(hào)之間的相似性，其中一路信號(hào)較另一路信號(hào)有一個(gè)時(shí)間上的延遲。對(duì)兩路信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并計(jì)算出對(duì)應(yīng)于最相似時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即互相關(guān)函數(shù)的峰值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的間，即為渡越時(shí)間τ。
超聲波換能器發(fā)出一個(gè)信號(hào)x(t)，超聲波換能器收到一個(gè)信號(hào)y(t)，理論上信號(hào)y(t)是信號(hào)x(t)的一個(gè)延時(shí)信號(hào)，兩個(gè)信號(hào)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(hào)，由相關(guān)理論計(jì)算出這兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)，表達(dá)式為