超声波流量计中的数据处理

　　在超声波测量系统中,利用相关技术来处理采集所得数据信号是种非常普遍的方法。本文采用了相关的直接法和快速法来处理数据,还提出了一种与相关类似的数据处理方法,最后给出了3种方法对超声流量测量的数据处理结果。

　　1　引　言

　　利用超声波的时差法测定气体流量,由于声波在气体中的衰减非常大,接收到的信号中有效信号很弱,信噪比小,给脉冲计数法带来不便。本文介绍了利用采集卡采集接收信号并用相关技术进行数据处理,以求得声时差的方法,来进行气体流量的测定。由于采集所得的信号噪声成份很多,在进行相关处理前对信号进行了数字滤波。在相关处理中运用了3种方法,以便对测量结果进行比较。

　　2　流量测定原理

　　超声波时差法测定气体流量的装置如图 1所示,利用两个探头交替发射、接收。若忽略流体力学效应,即假定管道内各点流速沿横截面均匀分布并平均等于v0,则只要测得

　　(2)相关的快速法

　　如果把同原始信号一样长的实测信号与原始信号合成一个信号,并在其后补零,形成

　　求出X2N(n)的功率谱,再对其作傅氏反变换,就可求出R∧(m),形成R∧(4N)。对一个相对于原始信号X0(N)未知延时m0的信号,如果假定-M≤m0≤M,则在利用快速法计算所得的R∧(4N)序列中在下标从N-M～N+M中找到一个最大值所对应的下标m,然后减去N即为实测信号相对于原始信号的延时点数m0,把它乘以采样周期就得到了延时Δti(i=1、2)。利用这种方法对如图4中曲线1所对应的合并后的信号进行处理其结果如图4曲线2所示。

　　这种方法有一定的局限性:它对信号的相似性要求非常高;两个信号的延时不能大于一个周期;同时,信号相似点幅度要基本相等。由于在本文的测量中这些要求都能满足, 所以这种方法完全适用,而且还得到了非常满意的效果。

　　4　结　论

　　以上所述的3种方法都有各自的优缺点:快速法的计算速度快,但对波形在整个时域上要求在信号来临之前非常干净,这对于又发又收的探头来说基本上无法实现,即使对信号预先进行了滤波,也无法消除晶片由于余振产生的与真实信号同频率的波形,所以在运用中不能精确地找到m0;而且它需要的采样点较多,至少要3个周期,否则无法取得真实值。若利用10M的采样频率对 15kHz的信号进行采样,采样点就要有2k。利用直接法时,计算速度太慢,如果取N为 2048个点,M取667,则它比快速法要慢6 倍,是3种方法中最慢的,而移相求和法虽有其局限性,但由于它避免了乘除法,速度比直接法快了1倍。直接法和移相求和法速度慢, 但可取较少的采样点以提高速度,且能得到满意的效果。