一種λ型互相關時差法超聲波流量檢測方法

Ultrasonic Flow Detection Using Lambda Type Cross-correlation Time Difference Method

柏思忠

(中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶　400039)

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一種λ型互相關時差法超聲波流量檢測方法

Ultrasonic Flow Detection Using Lambda Type Cross-correlation Time Difference Method

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法)的優缺點進行了分析，提出了一種λ型互相關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θ角安裝。同側換能器同時在相同介質中發射相同波形，傳播不同行程后查找互相關性，計算相對時差，根據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。

關鍵詞：超聲波流量計檢測時差法平行相關法儀器儀表氣體傳播速度信號衰減

Abstract：Z type time difference method,V-type time difference method and parallel correlation method are the mainstream methods for ultrasonic gas flow detection,the advantages and disadvantages of these methods are analyzed,and the Lambda type cross-correlation time difference method is proposed.Two pairs of transducers are installed in this method,one is vertically to the central axis,and one is in angle of θ with the central axis.The transducers at the same side emit same waveforms in the same medium,at the same time,and search cross-correlation after propagating different stroke.The relative time difference is calculated; in accordance with the time difference of downstream and upstream,the flow velocity and flow are calculated.The tests indicate that the relative error of indication using Lambda type detection method is less than 0.05%,thus this is a high accurate,simple and applied ultrasonic flow detection method.

Keywords:UltrasonicFlowmeterMeasurementTime-difference methodParallel correlation methodInstrumentationGasTransmission speedSignal attenuation

0引言

超聲波氣體流量計[1-2]的起源可以追溯到20世紀70年代，其憑借準確度高、重復性好、無可動部件、本體無壓損和適合于大口徑、大流量計量等優點異軍突起。在工業應用中較為廣泛的超聲波氣體流量主流檢測方法[3-5]分別是Z型時差法[6]、V型時差法[7]和平行相關法[8]。Z型時差法的優點[9]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、環境干擾和電磁輻射等因素都會影響測量精度。V型時差法[10]具有單側安裝、行程長等優點；但具有要求管壁內側光滑、信號衰減大、管道壁厚形成偏差等缺點。平行相關法[11]的優點是不受電路延時、相同干擾的影響；缺點是接收端對信號幅度敏感、工作持續時間長、功耗大。針對這三種主要的測量方法[12-13]，提出了一種結合三種方法優點的λ型互相關時差法。

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d1，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<180°且θ≠90°)安裝。

圖1　λ型超聲波換能器安裝模型示意圖

1.2λ型基本理論分析

假設該管段的前后直管段長度足夠，滿足流場充分發展管道[5]的條件，流速方向和管道中心軸線方向平行。

1.2.1AB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v超(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， d1和d2數值較小。AB和CD中心連線在同一段管道內并且距離近，介質、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中心對稱形狀的管道充分發展流中，橫截面上的流場分布呈現中心對稱的規律。換能器AB和CD中心連線無論是正向傳播(A→B、C→D)還是逆向傳播(B→A、D→C)，經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互相關法檢測時差[14]

發射信號s(t)經過不同的傳播途徑L1和L2到達接收端，分別形成接收信號R1(t)和R2(t)，在有效的時間區間[t0,t0+T]內，對R1和R2進行互相關運算。

互相關函數R(τ)最大值對應的時刻就是s(t)經過不同傳播途徑L1和L2的時差。

2.2互相關法檢測順流時差

(1)

2.3 互相關法檢測逆流時差

(2)

2.4λ型檢測方法

經過以上分析，管道流速v=f(D,L,θ,c,Δt1,Δt2)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θ、超聲波在管道中的傳播速度c、順流時傳播時差Δt1和逆流時傳播時差Δt2的函數。D、L、θ三個參數都和管道自身、超聲波換能器安裝有關，在安裝工藝環節控制；Δt1、Δt2是實際測量獲得；c受介質、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，根據順流和逆流兩種情況得到的函數關系式，可以消除c這個因素。由式(1)和式(2)聯立求解，介質中超聲波傳播速度c如式(3)所示，管道中氣體流速如式(4)所示。

(3)

(4)

考慮到超聲波換能器AB中心線距離D和CD中心線距離L滿足關系式(5)：

D=Lsinθ

(5)

代入式(3)，令:

可將式(3)簡化為式(6)，將式(4)簡化為式(7)：

(6)

(7)

(8)

根據管道橫截面的面積S，可以計算出體積流量

(9)

3λ型檢測方法優缺點

3.1消除介質和環境因素影響

λ型檢測法采用相同波形同時在相同介質中傳播不同行程，查找接收信號的互相關性。雖然信號在傳輸過程中會受介質和環境因素影響發生畸變，但兩路信號在相同的介質和環境中發生畸變的情況相似。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檢測是在持續波形中找到介質隨機調制的相似性，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的最大值即可，同時還可以調節安裝角度θ，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”現象，決定了接收端是一個持續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、相同的發射信號、相同的管段、相同的介質和不同的行程，用最大互相關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型互相關檢測法，其采用超聲波反射方式，依賴于流量管道內壁的反射系數，并且行程長、衰減大。λ型檢測法采用對射技術，對流量管道內壁的反射系數沒有要求，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據采樣進行最大互相關檢測，硬件成本也會增加。

3.6增加軟件復雜度

λ型檢測法接收信號進行互相關檢測時，不同管徑、不同流速和不同精度對互相關算法數據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檢測法復雜程度要高。

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，數據如表1所示。

表1　λ型檢測法實驗數據

續表1

由表1可知，在最嚴酷的小管徑低流速測試條件下，計算結果誤差小于示值的0.05%，完全可以滿足超聲波氣體流量計相關標準要求[15-17]。

5結束語

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檢測法的優點和缺點，并針對各自的缺點，結合它們的優點，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、接收信號持續存在檢測調制相關性要求高等問題。最后經過實驗驗證，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。

參考文獻

[1] 黃寶娟,于德弘,高振華.超聲波氣體流量計關鍵技術綜述 [J].計量技術,2007(1): 18-22.

[2] 何永全.流量檢測技術和傳感器設計若干趨勢[J].中國新技術新產品,2012(24): 116.

[3] 陳聰.超聲波流量計的特點和應用[J].醫藥工程設計,2010,31(1): 48-50.

[4] 于洋,宗光華,丁鳳林.超聲波流量測量中流速計算方法的對比[J].北京航空航天大學學報,2013,39(1): 37-41.

[5] 丁鳳林，李宗良，魏延明，等.小管徑高精度超聲波流量計設計[J].空間控制技術與應用,2011,37(1): 28-33.

[6] 王雪峰.基于時差法氣體超聲波流量計的關鍵技術研究[D].大連: 大連理工大學,2011.

[7] 吳曉慶,李艾華,李芳.基于互相關理論的時差法超聲波流量檢測系統[J].儀器儀表用戶,2005,12(6): 52-54.

[8] 李躍忠.多聲道超聲波氣體流量測量關鍵技術研究[D].武漢: 華中科技大學,2009.

[9] 李廣峰,劉昉,高勇.時差法超聲波流量計的研究[J].電測與儀表,2000,37(417): 13-19.

[10]梁黎黎.超聲波流量計測量原理及實際應用修正研究[J].長江大學學報:自然科學版,2010,7(2): 146-148.

[11]賈佳,谷立臣.基于超聲流量計的包絡互相關時延理論及仿真[J].自動化儀表,2012，33(7):53-55.

[12]王雪峰,唐禎安.超聲波氣體流量計的管道模型仿真和誤差分析[J].儀器儀表學報,2009,30(12): 2612-2618.

[13]許明.小管徑多相流特性及流動參數測量研究[D].合肥: 中國科學技術大學,2012.

[14]邊旭燁,張玉杰,楊萍.參數估計法實現的互相關流量測量系統[J].自動化儀表,2015，36(1):91-94.

[15]文代龍,袁平凡,游明定,等.GB/T 18604-2001 用氣體超聲流量計測量天然氣流量[S].2001.

[16]環保協會.HJT 366-2007超聲波管道流量計[S].2007.

[17]王池,丘逢春,苗豫生，等.JJG1030-2007 超聲流量計檢定規程[S].2007.

中圖分類號：TP216;TH86

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602021

國家“十二五”科技支撐基金資助項目(編號：2014BAC17B00)。

修改稿收到日期：2015-05-12。

作者柏思忠(1978-)，男，2004年畢業于重慶大學電路與系統專業，獲碩士學位，助理研究員；主要研究方向為瓦斯抽放流量計量和監測監控。