时间比例放大技术在超声波流量计中的应用

　　超声波流量计可以实现对流体非接触式的测量, 速度快, 精度高, 尤其适用于大口径管道的流体测量. 自从20 世纪90 年代在对天然气的测量上取得成功后, 引起了人们的重视, 其中荷兰的Instromet公司、英国的Daniel 公司和美国的Cont rolot ro n公司做了大量的研发工作, 占有很大市场份额[ 1] . 然而, 国内只有少数几个厂家引进技术进行生产. 它的基本原理是利用超声波确定流体的流速, 常见的测量方法有时差法、相位差法、频差法、多普勒法、互相关法、波束偏移法和旋涡法等等[ 2] . 本文根据/ 游标卡尺0的测量思路, 提出了一种基于时间比例放大原理的时差测量新方法.

　　如图1 所示, 在时差法测流速中, J、K 是超声波换能器, 交替接收与发射超声波. 流体流速v 与超声波在顺流、逆流中传播时间差S之间的关系是

　　其中, c 是超声波在静止流体中的传播速度, A是超声波入射角度, D 是管道直径. 只要测出时间差S, 就可以得到被测流体的流速[ 3] .

　　时间差随管道直径的减小而减小. 例如在直径是50 mm 的水流管道中, 流量范围在0. 25 m³ / h 与24 m³ / h 之间, 超声波以45b入射, 时间差的取值范围是1. 527 ns 至150. 9 ns. 若对于纳秒级别的时间差进行直接测量, 则计时器的工作频率至少要在1 GHz以上, 一般很少采用. Brian K . Sw ann等人设计出专用IC 芯片来实现TDC ( T ime to Dig italCo nv erter) , 将微小时间差转化成模拟电压信号, 然后进行A/ D 采样, 可以完成对100 ps 的微小时间差测量, 测量范围在80 ns 至256 ns 间可调[ 4] . Jo zefKal isz 等人用FPGA 设计了方波脉冲压缩电路, 对时间差的测量精度达到100 ps[ 6] . Jozef Kalisz 还用延迟线比较的方法同样实现了对微小时间差的测量[ 5] . 还有人提出用T DC 结合DLL ( delay-lockedloop)延迟线来测量小时间差的方法[ 7] . 本文介绍的时间比例放大测量方法, 相比以上方法, 不仅成本低, 易于实现, 而且精度同样达到测量要求.

　　1 时间比例放大原理

　　游标卡尺的测量原理是利用主尺与游标尺之间的单位刻度存在微小差别, 通过查找对齐刻度的位置来测量主尺与游标尺零刻度之间的距离. / 时间游标卡尺0的原理如图2 所示, 待测量是信号FS 与JS之间的时间差S, FS、J S 分别触发频率相近的周期性脉冲信号B 和A. 信号A 表示成

　　2 实用的时间比例放大

　　实际测量时, 通过调节两列脉冲序列信号的周期T A 与T B 来调节时间比例放大系数K , 采用计时器测得t1 , 代入式( 16) 计算得到时间差S, 再通过式( 1) 进一步计算得到流体流速v .