時差法超聲波流量測量技術研究現狀與應用

檀盼龍，韓思奇

（天津中德應用技術大學 智能制造學院，天津 300350）

流量測量技術在工程應用領域的作用日益重要，也是測量科學的一個主要分支。得益于計算原理簡單、測量過程不與介質直接接觸、在不同管徑下精度較高、易于組網監控等特點，超聲波流量計在工業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中傳播，如氣體、液體、固體或多相混合物質。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]、多普勒效應法[4]、波束偏移法[5]、相關法[6-7]。

時差法超聲波流量計因其測量精度和結果重復性等突出的優點受到越來越多研究學者的青睞，基于時差法的優越性，國內外研究學者針對超聲波流量計在流量測量方面進行了深入研究，在流量計硬件結構、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構

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，在同等條件下，當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的硬件包括核心處理器、超聲波回波檢測電路、換能器驅動電路和回波放大電路等，還有用于設置參數、顯示狀態和輸出測量結果的接口電路以及外設。

2 時間測量方法

時差法超聲波流量計的實現原理，基于超聲波的順逆流時間進行精確測量，實現高精度流量測量。在超聲波傳播時間的測量中，集成時間數字轉換芯片的使用也逐漸得到了應用，金松日提出了基于TDC-GP21時間數字轉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基于改進的超聲波換能器驅動方法設計了新型單聲道超聲波流量計，根據超聲波回波信號的包絡線規律區分不同信噪比信號并采用優化的過零檢測方法實現精確傳播時間計算，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定的數學模型，據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擬合得到渡越時間參數最優值，研究成果在內徑100 mm管徑的氣體靜態和動態渡越時間測量實驗中得到了驗證。

3 超聲波回波檢測技術

超聲波流量計發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。常用的分析技術一般是基于傅里葉變換實現的，但傅里葉變換的特性決定了實現過程中無法將信號的時域特征和頻域特征有機地結合起來，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，具有較好的準確性和抗噪聲性能。

周志進采用將超聲波信號進行3層小波分解，通過小波分析方法對信號進行重構，適當設置門限閾值對小波系數進行處理，有效地抑制了信號中噪聲對測量精度的影響，取得了高于自適應濾波去噪后的測量精度。姜洪開以第二代小波為基礎，構造了一種識別超聲波信號時域特征的自適應第二代小波方法。該方法根據每層自適應第二代小波分解的超聲波信號噪聲水平，選取自適應匹配降噪閾值，對信號進行降噪和恢復，提取信號時域特征，獲得了在強噪聲背景下優于經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合的參數估計方法，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應用研究與發展趨勢

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

4.1 應用研究

超聲波流量檢測技術在液體流量測量中的研究和應用較早，應用也較為成熟。自從天然氣成為工業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注和應用，科研人員針對超聲波氣體流量測量技術進行了深入研究。除了對單一流體介質的測量以外，超聲波流量測量技術也可以用于氣液、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行對比分析，為用戶選型提供了依據。

4.2 發展趨勢

超聲波流量檢測儀表同時具有體積小、成本低的優點，而且不受流體狀態的影響，具有廣闊的發展前景。綜合當前的研究現狀，超聲波流量檢測技術今后的發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具有更強的靈敏度和抗干擾能力，具有高穩定性。（3）智能化程度提高，更易于調整、適應不同的管徑、介質和安裝環境。（4）研究手段多樣，不僅僅局限于實驗分析研究，通過應用計算流體力學軟件、算法分析軟件。

5 結語

超聲波在流量檢測中的應用從誕生之初到現在已經有了接近百年的歷史，其理論和實現形式仍在不斷的發展當中，測量精度也得到了一步步的提高，并逐漸應用到氣體、液體和氣液、固液兩相流等流體的測量當中。隨著電子技術、虛擬仿真技術等領域的發展，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、核能發電、精密醫療等必將是超聲波流量計未來的應用新領域。