声时测量精度的主要影响因素分析

    1 引 言

    超声波流量计是利用传声介质流动对超声波脉冲或超声波束的信号调制作用, 并通过检测信号的变化来获得体积流量的一种计量仪表。在实际超声波流量计的设计中, 声信号传播时间的测量( 即声时测量) 精度是决定计量精度的关键因素, 声时测量精度与两方面因素有关, 一是用于声时测量的时标精度[1], 二是接收信号起点检测的准确度1。

    关于时标精度, 现在的时间间隔测量芯片精度已经可以达到 ps 级, 如德国 ACAM 公司的一款芯片 TDC-GPX 的分辨率能做到 10ps[2]。而关于接收信号的起点检测, 由于实际中的接收信号往往是经模拟放大、滤波、整形后形成的。因此, 接收脉冲受到系统噪声、系统通带特性、整形电路的特性、声传播介质等一些因素的影响, 接收信号总是比较复杂的叠加波, 在现有的检测方法如过零检测和相关法等的处理下, 接收信号起点的检测必然存在误差, 从而制约了声时测量精度的提高。因此从信号处理的角度入手, 分析声时测量的影响因素并研究相应的信号处理方法是很有意义的。本文将对该影响因素进行分析。

    2 系统模型

    超声波流量计的测量方法有很多种, 其中以时差法和多普勒法最为常见。采用单声道时差法测流量的超声波流量计工作原理如图 1 所示。

    图 1 中 L 为声传播路径的长度, td和 tu分别为顺流和逆流传播的时间间隔, D 为管道内径, ! 是声传播方向和轴向流速的夹角。它是利用一对超声波换能器相向交替( 或同时) 收发超声波, 通过观测超声波在介质中顺流和逆流传播的时间差来间接测得流体的流速, 再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。如果管径较大时, 可以增加声道数, 但分析方法相同。

    超声波流量计的设计一般要求被测流体流场形态保持轴对称, 并且不存在垂直于轴线方向的速度分量( 即层流模型, 层流模型要求雷诺数小于2100[3], 多数流体都可满足)。几乎所有超声波流量计在这样的理想环境下都可以获得满意的效果[4]。

    图 1 模型中声时测量的原理如图 2。

    图 2 中 T1为精确的声时, T′1为实际测得的声时。测量原理是在发射信号时开始计时, 当接收信号达到阈值之后停止计时, 从而测出信号传播的时间间隔。实际测量中 T1与 T′1总是存在误差, 本文就是分析造成该误差的主要原因。

    3 影响因素分析

    从图 2 可以看出, 若系统采用过零检测法, 则接收信号的幅值波动会形成漏检或者误判, 从而造成误差。系统中会影响接收信号波形的因素有系统带宽、声道噪声、电噪声以及环境温度对系统电子元件和换能器影响等, 影响接收点判定的因素有判定阈值的高低、系统响应速度等。下面将分别就其中的几个方面进行具体分析。