基于相關(guān)法的豎管內(nèi)置式超聲流量測量設(shè)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(shè)計了將探頭內(nèi)置在管內(nèi)與流動方向平行的超聲波流量測量方式和相應(yīng)裝置，在計算時間差時，采用相關(guān)法計算時間差，相關(guān)法本身具有一定的濾波去噪特性，提高了時間差的測量精度。系統(tǒng)硬件設(shè)計了超聲波發(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。實驗表明，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。波形進行采樣相關(guān)處理后的計算值與實際值誤差很小，提高了所求時間差的精度，從而更好的進行流量計算。
關(guān)鍵詞 超聲波流量測量；時間差；相關(guān)法；高精度

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，流量測量是應(yīng)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，需要設(shè)計一種儀器設(shè)備對管內(nèi)安裝進行測試流量。在實際情況中，由于探頭內(nèi)置在被測液體中，發(fā)射接收的波形會受干擾，所以本設(shè)計主要針對采用相關(guān)法原理設(shè)計的超聲波流量計對液體流量進行測量。在測量系統(tǒng)中流動噪聲可利用傳感器檢測，而相關(guān)法測量延時的特點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(jié)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，與液體流動方向相同或相反時，超聲波傳輸時間不同。在本次設(shè)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(nèi)進行。設(shè)計如圖1所示若在固定長度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為流體流動的速度；T1為順流傳播所需要的時間；T2為逆流傳播所需要的時間。
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時間上的延遲。對兩路信號的互相關(guān)函數(shù)進行計算，并計算出對應(yīng)于最相似時所對應(yīng)的時間，即互相關(guān)函數(shù)的峰值點所對應(yīng)的間，即為渡越時間τ。
超聲波換能器發(fā)出一個信號x(t)，超聲波換能器收到一個信號y(t)，理論上信號y(t)是信號x(t)的一個延時信號，兩個信號的波形相似，只是在時間軸上有時間間隔△t=t2-t1的兩組信號，由相關(guān)理論計算出這兩個信號的相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)，表達式為