基于相關法的超聲波流量測量的發射設計

摘 要： 相關法超聲波流量檢測方法，能有效利用超聲波脈沖的整體信息進行時差測量。但針對傳統相關法的超聲波流量測量過程中，等振幅周期信號具有重復性，波形在利用相關法計算的結果不能準確地反映出信號的時間差的這一缺點。采用改進的相關法，使用FPGA（現場可編程門陣列）發出一種特殊調制的驅動脈沖，使超聲波探頭在需要的一定周期內發射出幅度調制的波形，克服等振幅周期信號在做相關后時間差判斷不準的情況，并且硬件平臺相對簡單即可達到理想效果。通過實驗可以證明，控制激勵探頭的脈沖信號的占空比，可以改變發射波形的幅值特性，得到適合相關運算的波形，達到預期的測量效果。

關鍵詞： 超聲波流量測量； 相關法； 驅動脈沖； 波形衰減

中圖分類號： TN710?34； TP216 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0108?03

0 引 言

油田投入開發后，隨著開采時間的增長，油層本身能量將不斷地被消耗，致使油層壓力不斷地下降，油井產量大大減少，甚至會停噴停產，造成地下殘留大量死油無法開采。為了彌補原油被采出后所造成的地下虧空，實現油田高產穩產，必須對油田進行注水，以補充和保持油層壓力[1]。這個過程必須實時監控注水量，以防注水過多而井噴。由于注水管深至地下數百米甚至上千米，超聲波流量計的高精度，測量速度快等很多優點適合這一測量領域。現在廣泛應用的管外超聲測量不切實際，故本論文的設計都是基于管內超聲測量。

1 相關法測流量理論依據

超聲波流量計根據測量原理的不同，可分為基于傳播速度差法（時差法、相位差法、頻差法）、波束偏移法、多普勒法等類型[2]。傳播速度差法是利用超聲波信號順流和逆流傳播速度差來反映流體流速的方法。其中最典型的為時差法，在進行測量時使用一對超聲波換能器，順逆流交互進行收發、發收的操作，通過超聲波信號相鄰兩次方向相反的傳播的時間差獲取流體流速。

相關法本身具有一定的去噪聲能力，在后期處理的時候不受這種噪聲的影響，在時間差的處理上有很大的優勢。基于相關法測量時間差的流量測量方式有精度高，傳感器結構簡單等優點[3?4]。

相關表達了某兩種特征量數值之間的關聯程度。互相關函數的定義為[5]：

[Rxy（τ）=lim 1T0Tx（t）y（t+τ）dt] （1）

式中：[x（t）]和[y（t）]是兩隨機信號樣本。

可以看出，在管內沿管道軸線相距[L]的截面上安裝一對超聲波換能器。工作時，發射換能器向被測流體發射一定幅度的能量束，當被測流體在管道內流動時，流動噪聲調制傳感器發出的能量束[x（t）]，接收換能器檢測到引起調制作用的隨機信號[y（t）]，由相關理論可計算出這兩個信號的互相關函數[Rxy（τ）]的值，該函數峰值位置所對應的時間位移[τ]就是隨機信號在該系統中的傳遞時間（即流體的流動時間）[6?7]。

相關法測流量原理

相關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。但做實際相關時，等振幅信號相關后會出現時間差值無法準確體現的問題，

正弦信號的發射接收波形及相關函數

如上分析，當發射單一波形的時候，時間相差一個周期的波形與原來波形做相關運算的結果相同，無法確定波形時差。當發射波形如圖3所示的特殊波形時，做相關運算后可以確定波形之間的時間差值。

2 發射電路設計

超聲波發射電路如圖4所示。當脈沖選擇的占空比不同時，場效應管開關時間不同，使其發射波形有幅值的變化。當占空比大的時候，場效應管開通時間長，通過的能量大，選通頻譜多，接收到的波形幅值大，相反波形幅值小[8]。

不等振幅特殊信號的相關函數

發射電路電路圖

2.1 場效應管驅動芯片

TC4421是場效應管驅動芯片，輸入信號是脈沖信號，輸出信號為輸入信號的反向，因為電路設計的是當場效應管截止的時候，超聲波探頭才開始工作。即是當有高電平信號的時候，TC4421輸出為低電平信號，場效應管截止，漏極和源極之間可視為斷路，超聲波探頭工作，發出超聲波信號；當輸有低電平信號的時候，TC4421輸出為高電平信號，場效應管導通，漏極和源極之間可視為短路。超聲波探頭不工作，不發射超聲波信號。

2.2 場效應管電路

所示，在場效應管導通的時候，電流經過電阻R和場效應管流入地。當場效應管截止的時候，電流經過電阻R和超聲波探頭在流入地，此時探頭工作。所以電阻R的選擇很關鍵，如果阻值過大，在探頭工作的時候，作用在探頭上的功率就小，可以使探頭無法正常工作；如果阻值過小，流過場效應管的電流太大，長時間使用，會導致場效應管溫度過高。在本次設計中，電阻[R]取值為20 Ω。

另一方面，當場效應管導通的時候，電阻R的功率（單位：W）為：

[P=U2R=12220=7.2] （2）

而傳統碳膜電阻的功率也就0.5 W，而水泥電阻的阻值普遍較小。這里使用大功率碳膜電阻，它的功率能達到2 W。采用4個電阻并聯連接方式。該組并聯電阻的總功率能達到8 W，符合電路設計要求。

場效應管部分電路

3 驅動脈沖設計

根據超聲波換能器的工作特性，當有高電平信號激發探頭的時候，探頭就會發出正弦波一樣的超聲波信號，就算激勵信號停止了，超聲波換能器中的壓電陶瓷片仍會繼續振動，就會發出一系列的衰減正弦波信號。如圖6所示。

超聲波探頭衰減信號

可以看出，停止激勵，探頭也會發出一定周期數的衰減信號，該衰減信號的振幅是逐漸變小的，這正是適用于相關運算的調制信號。

探頭的固有頻率是40 kHz，所以驅動激勵的頻率也必須是40 kHz，即周期是25 μs。但只給一個激勵的話，也就是12.5 μs的高電平。高電平激勵出來的超聲波波形很不規則，說明該信號的頻率特性不是很強[9]。克服這一缺陷的方法就是連續發多個激勵脈沖激發超聲波探頭。但是由于課題設計要求管內兩探頭之間的距離為20 cm，該超聲波周期為25 μs，即該信號在水中的波長為3.75 cm，所以連續發射的激勵脈沖不能超過5個。由圖6可以看出，前3～4組的衰減信號的波形最穩定。所以設計連續發送3個激勵脈沖，這樣可以保證超聲波發射信號有三個周期是穩定信號，也就是振幅不變的信號。后面會跟3～4組的衰減信號。這樣的衰減信號適用于相關運算。FPGA發出的激勵脈沖信號

FPGA發出的激勵脈沖信號

所示的超聲波激勵脈沖激勵超聲波探頭，從示波器可以看出超聲波發出的信號前三個是穩定的正弦波信號，隨后跟著諾干振幅越來越小的特殊信號，

FPGA的激勵信號和收到的超聲信號

4 結 論

本文針對豎直管內超聲波流量測量，提出了一種超聲波發射電路設計，介紹了測量流量的原理，分析了相關運算在該系統的應用方法，提出并通過FPGA實現了一種更適合相關運算的驅動脈沖。通過實驗驗證，發射電路運行可靠，可以達到設計標準，超聲波換能器發出振幅變化的正弦波。收到信號進行相關運算后的計算值與實際值誤差小，提高所求時間差的精度，實現了流量計算的高精度。

參考文獻

[1] 李穎川.采油工程[M].北京：石油工業出版社，2002.

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[4] WANG Yu?hui， DAI Ju. High?speed data sampling based on FPGA and its application in flowermeter [C]// Proceedings of WASE International Conference on Information Engineering. [S.l.]： ICIE， 2009： 24?27.

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