時差法超聲波流量測量技術(shù)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

檀盼龍，韓思奇

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，天津 300350）

流量測量技術(shù)在工程應(yīng)用領(lǐng)域的作用日益重要，也是測量科學(xué)的一個主要分支。得益于計算原理簡單、測量過程不與介質(zhì)直接接觸、在不同管徑下精度較高、易于組網(wǎng)監(jiān)控等特點，超聲波流量計在工業(yè)測量中越來越受到人們重視[1]。

超聲波具有兩個重要的特性[2]：（1）頻率很高，波長較短，可以沿直線傳播，具有較強的方向性。（2）超聲波能在多種介質(zhì)中傳播，如氣體、液體、固體或多相混合物質(zhì)。超聲波在流動的流體中傳播時，其信號就載有流體的流速信息，通過檢測接收到的超聲波信號就可以得到流體的流速，進(jìn)而通過管徑換算成流量信息。目前超聲波流量計主要可分時差法[3]、多普勒效應(yīng)法[4]、波束偏移法[5]、相關(guān)法[6-7]。

時差法超聲波流量計因其測量精度和結(jié)果重復(fù)性等突出的優(yōu)點受到越來越多研究學(xué)者的青睞，基于時差法的優(yōu)越性，國內(nèi)外研究學(xué)者針對超聲波流量計在流量測量方面進(jìn)行了深入研究，在流量計硬件結(jié)構(gòu)、傳播時間測量方法和回波檢測等方面取得了大量研究成果。

1 時差法超聲波流量計結(jié)構(gòu)

時差法超聲波流量計是利用流體的流動對超聲波在管道中傳播時間的影響，計算流體的流速和流量的一種方法。超聲波在管道中的傳播時間與流體的流動速度有關(guān)，在同等條件下，當(dāng)超聲波在流體順流方向傳播時的傳播時間會減小，反之，則超聲波在流體逆流方向傳播時的傳播時間會增大[8-9]。

典型的超聲波流量計系統(tǒng)的硬件包括核心處理器、超聲波回波檢測電路、換能器驅(qū)動電路和回波放大電路等，還有用于設(shè)置參數(shù)、顯示狀態(tài)和輸出測量結(jié)果的接口電路以及外設(shè)。

2 時間測量方法

時差法超聲波流量計的實現(xiàn)原理，基于超聲波的順逆流時間進(jìn)行精確測量，實現(xiàn)高精度流量測量。在超聲波傳播時間的測量中，集成時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的使用也逐漸得到了應(yīng)用，金松日提出了基于TDC-GP21時間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的超聲波傳播時間測量方案，通過提高過零點檢測精度的高信噪比過零點選擇比較電路取得了10 ns量級的時間檢測精度。

Tang基于改進(jìn)的超聲波換能器驅(qū)動方法設(shè)計了新型單聲道超聲波流量計，根據(jù)超聲波回波信號的包絡(luò)線規(guī)律區(qū)分不同信噪比信號并采用優(yōu)化的過零檢測方法實現(xiàn)精確傳播時間計算，實驗證明該流量計的流速檢測精度高于0.8%。姜燕丹通過超聲波接收探頭獲取聲波信號，建立了超聲波接收信號從起振到穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型，據(jù)此提出了一種基于模型的超聲波傳播時間測量的新方法。該方法利用模型參數(shù)擬合得到渡越時間參數(shù)最優(yōu)值，研究成果在內(nèi)徑100 mm管徑的氣體靜態(tài)和動態(tài)渡越時間測量實驗中得到了驗證。

3 超聲波回波檢測技術(shù)

超聲波流量計發(fā)射端的激勵信號起始時刻是可以精確控制的，而回波信號到達(dá)接收端的時刻是由管徑和流體流速來確定的。常用的分析技術(shù)一般是基于傅里葉變換實現(xiàn)的，但傅里葉變換的特性決定了實現(xiàn)過程中無法將信號的時域特征和頻域特征有機地結(jié)合起來，而且傅里葉譜不具備局部化分析信號的功能。鄒曉紅提出了基于小波分析的超聲波信號提取方法，得到了較好的邊緣信號，實驗表明該方法適合超聲波信號的檢測和特征提取，在改善信噪比的同時還保持了很高的時間分辨能力，具有較好的準(zhǔn)確性和抗噪聲性能。

周志進(jìn)采用將超聲波信號進(jìn)行3層小波分解，通過小波分析方法對信號進(jìn)行重構(gòu)，適當(dāng)設(shè)置門限閾值對小波系數(shù)進(jìn)行處理，有效地抑制了信號中噪聲對測量精度的影響，取得了高于自適應(yīng)濾波去噪后的測量精度。姜洪開以第二代小波為基礎(chǔ)，構(gòu)造了一種識別超聲波信號時域特征的自適應(yīng)第二代小波方法。該方法根據(jù)每層自適應(yīng)第二代小波分解的超聲波信號噪聲水平，選取自適應(yīng)匹配降噪閾值，對信號進(jìn)行降噪和恢復(fù)，提取信號時域特征，獲得了在強噪聲背景下優(yōu)于經(jīng)典小波方法的特征識別效果。

針對高斯牛頓法對迭代初值敏感的問題，基于遺傳算法的全局優(yōu)化特點和高斯牛頓法的局部搜索特點提出了將兩種算法結(jié)合的參數(shù)估計方法，針對超聲波信號分析具有收斂速度快、精確度高的特點。

4 超聲波流量檢測技術(shù)應(yīng)用研究與發(fā)展趨勢

超聲波流量計以其壓損小、精度高、量程廣的特點被廣泛應(yīng)用到氣體、液體以及兩相或以上混合流體的檢測中。

4.1 應(yīng)用研究

超聲波流量檢測技術(shù)在液體流量測量中的研究和應(yīng)用較早，應(yīng)用也較為成熟。自從天然氣成為工業(yè)和民生的主要能源以來，超聲波流量計以其防暴能力和高性價比受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，科研人員針對超聲波氣體流量測量技術(shù)進(jìn)行了深入研究。除了對單一流體介質(zhì)的測量以外，超聲波流量測量技術(shù)也可以用于氣液、汽油、液固等兩相或多相流體的測量。將超聲波流量計應(yīng)用于氣液兩相流的測量，對多種超聲波流量計對氣液兩相流的計量進(jìn)行對比分析，為用戶選型提供了依據(jù)。

4.2 發(fā)展趨勢

超聲波流量檢測儀表同時具有體積小、成本低的優(yōu)點，而且不受流體狀態(tài)的影響，具有廣闊的發(fā)展前景。綜合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，超聲波流量檢測技術(shù)今后的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：（1）集成化、高精度，超聲波流量計具有更小體積、更大功率和更低功耗。（2）抗干擾性增強，新型的超聲波流量計應(yīng)具有更強的靈敏度和抗干擾能力，具有高穩(wěn)定性。（3）智能化程度提高，更易于調(diào)整、適應(yīng)不同的管徑、介質(zhì)和安裝環(huán)境。（4）研究手段多樣，不僅僅局限于實驗分析研究，通過應(yīng)用計算流體力學(xué)軟件、算法分析軟件。

5 結(jié)語

超聲波在流量檢測中的應(yīng)用從誕生之初到現(xiàn)在已經(jīng)有了接近百年的歷史，其理論和實現(xiàn)形式仍在不斷的發(fā)展當(dāng)中，測量精度也得到了一步步的提高，并逐漸應(yīng)用到氣體、液體和氣液、固液兩相流等流體的測量當(dāng)中。隨著電子技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，超聲波流量計的研究手段不斷豐富，同時也為超聲波流量計在功耗、精度和適用范圍提供了更大的上升空間，航空航天、核能發(fā)電、精密醫(yī)療等必將是超聲波流量計未來的應(yīng)用新領(lǐng)域。