如何提高超聲波流量計的測量精度

1 引言

超聲波流量檢測技術(shù)根據被測流體對超聲波傳播速度產(chǎn)生調制來(lái)實(shí)現流速測量。近年來(lái)隨著(zhù)數字信號處理技術(shù)、大規模數字電路的應用以及新型超聲換能器的出現，促使超聲波流量檢測技術(shù)取得了長(cháng)足進(jìn)步。與傳統的流量計相比超聲波流量計解決了大管徑、大流量及各類(lèi)明渠、暗渠液體流量測量困難的問(wèn)題，同時(shí)，可以測量包括：液體、氣體，甚至對雙相介質(zhì)在內的液體流量，對測量介質(zhì)無(wú)要求。且具有低壓降、低能量消耗、測量精度高的優(yōu)勢，所以它正在逐漸取代機械式的流量計。但超聲波用于小口徑流量測量時(shí)，由于超聲波穿過(guò)被測液體的時(shí)間很短，有用的測量信號容易被雜波所淹沒(méi)，從而影響流量的測量精度。針對小口徑超聲波流量檢測的上述問(wèn)題，通過(guò)硬件電路設計和軟件算法的改進(jìn)，較好的解決了測量精度問(wèn)題。

2 超聲波流量計換能器的驅動(dòng)和信號處理

超聲波流量計檢測方法主要有：時(shí)差法、多普勒效應法、相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法等，時(shí)差法超聲波流量是依靠在超聲波信號傳播到介質(zhì)當中后，在流動(dòng)的介質(zhì)里會(huì )帶有介質(zhì)流速信息，依靠超聲波接收傳感器把帶有流速信息的超聲波回波信號接收到電路板中，進(jìn)行一系列的信號處理之后就會(huì )得到被測介質(zhì)的流速或者流量。

（1）時(shí)差法超聲波流量計的工作原理

時(shí)差法計量的關(guān)鍵是要能夠獲得高精度的時(shí)間測量參數，近幾年來(lái)，隨著(zhù)高速時(shí)間計數處理芯片不斷出現，使得幾十皮秒的測量精度變得可能，這對于時(shí)差法用于小口徑超聲波流量計提供了計量保證。圖1是時(shí)差法超聲波流量測量法的基本原理圖。


圖1 超聲波流量測量原理

兩個(gè)超聲波探頭A和B既可以發(fā)射又可以接收，當探頭A發(fā)射，B接收時(shí)，超聲波就在流體中順流傳播，其速度就要加快，測量出順流時(shí)間；反之逆流傳播時(shí)超聲波的速度就會(huì )減慢。

時(shí)差法中順流傳播時(shí)間t₁為：

逆流傳播時(shí)間t₂為：

順逆流時(shí)間差Δt為：

可得：

其中，C為超聲波在液體中的聲速；L為兩個(gè)換能器之間的距離；V為管道中心軸方向的平均流速；θ為超聲波進(jìn)入液體的入射角；τ為超聲波在液體傳播以外的附加時(shí)間。

（2）超聲波換能器的驅動(dòng)控制

在超聲波流量測量時(shí)，首先要對換能器進(jìn)行驅動(dòng)，激勵換能器產(chǎn)生振蕩并發(fā)出超聲波信號，以下是分別采用1個(gè)驅動(dòng)脈沖、10個(gè)驅動(dòng)脈沖和15個(gè)驅動(dòng)脈沖作為換能器的激勵源，圖2是1個(gè)驅動(dòng)脈沖時(shí)，接收端換能器所接收到的波形�？梢钥闯�，當一個(gè)脈沖驅動(dòng)時(shí)，所接收到的波形比較微弱，波形很不規范。圖3是10個(gè)驅動(dòng)脈沖時(shí)，接收端換能器所接收到的波形。波形形狀得到明顯改善。圖4是15個(gè)驅動(dòng)脈沖時(shí)，接收端換能器所接收到的波形。

圖2 1個(gè)驅動(dòng)脈沖接收波

圖3 10個(gè)脈沖接收波形



圖4 15個(gè)脈沖接收波形

由上面幾個(gè)圖可以看出15個(gè)脈沖時(shí)換能器器接收波形是比較規范的正弦波，幅值較大，GP2最多能發(fā)出15個(gè)驅動(dòng)脈沖，因此選用驅動(dòng)脈沖為15個(gè)。