传播时间法超声流量计信号处理技术进展述评

　　1　引　言

　　五十多年前,世界上还没有一家规模化、标准化生产超声流量计的厂商。然而,现在全世界有超过50家的超声流量计制造商。根据美国Flow Re-search机构2005年的调查报告[1],超声流量计的年销售额超过30亿美元,占所有类型流量计销售总额的10%。

　　超声流量计近几十年的迅速兴起在于其相对传统流量计(如孔板、涡轮等)有以下优点:非接触式测量;无可动部件,维护方便;适于大管径测量。超声流量测量现已广泛应用于工业、医学和民用等多个领域,与此相关的研究也逐年增加。国外每隔一段时间就会出现一些综述[2~5],评述其时超声流量测量的技术进展,国内虽有不少文献介绍超声流量测量原理及应用,但有关信号处理技术进展的文献相对较少。

　　传播时间法是当前超声流量计中应用最广泛、精度最高的一种方法,其原理如图1。声信号沿顺、逆流方向的传播时间差在马赫数(V/C)远小于1的情况下,与流速呈线性关系,此时间差可直接计量,也可转换为相角差或频差,相应的测量原理分别称为时差法、相差法和频差法。

　　影响超声流量测量精度的因素很多[6,7],本文就信号收发处理技术方面,回顾并讨论了上述三种测量原理近五十多年的进展,并以此预测超声流量计发展趋势。*

　　2　时差法

　　时差法直接计量超声信号顺、逆流方向的传播时间及时差,从而得到流速,其计算式如下:

　　如图1(a),设超声换能器以45°角Z形安装,管径为150mm,介质为空气,流速为0. 1m/s,声速为340m/s,则可计算得顺流传播时间623.788 0μs,逆流传播时间624.047 5μs,时差259.5 ns。若声速更高(如介质为液体)或流速更低,则时差为几十甚至几个纳秒。可见,时差法本质是求两个数量级相对较大而数值相近的时间量之微差,若用脉冲计数测量,需用高分辨率的标准时钟。分辨率和精度是两个既联系又区别的概念,高分辨率是高精度测时的必要条件,另一必要条件则是精确的启停时刻定位。随着电子技术的进步,高精度计时的电子器件有很大发展,启停时刻定位更为重要。超声流量测量中,发射信号一般是信噪较高的规则波形(正弦或方波等),计时启动时刻易确定。而接收时,由于超声换能器的谐振特性及信道的噪声干扰,信号到达时刻的定位是比较困难的,也是领域内长期研究的一个课题。

　　2.1　门限电平法

　　门限电平法是一种确定信号到达时刻的检测方法,后面介绍的频差测量原理中也常用门限法接收信号。如图2所示,门限电平原理可概括为“前沿触发定时”,即预先设定一触发电平,当接收信号幅值达到此电平时触发并检测波形的特征点,以此作为信号到达时刻,最后通过修正特征点引入的固定偏差得到传播时间。如图2中的特征点选为触发点之后的第一负过零点,则需减去2个信号周期的固定偏差。传播通道的衰减作用和噪声干扰通常导致超声信号形状畸变,故特征点一般选择那些被认为不受波形变化影响的位置[8],如波形峰值点或过零点等。