基于脉冲序列法的时差法超声波流量计设计

近几年来，超声波流量计由于其非接触式，不受流体物理化学性质影响的特点被广泛应用。对时差式超声波流量计而言，精确地测量超声波传播的时间是提高测量精度的关键，而在当前测时芯片精度已经达到ps级别的基础上，要提高测量精度的关键就在于准确判断超声波形到达的时刻。超声波信号的波形对准确判断超声波到达的时间点显得尤为关键。因此本文提出一种新的方法来对超声信号进行处理判断，以期更准确判断超声波信号到达时间，从而提高超声波流量计测量精度。

1 测量原理

时差法是根据超声波在流体中顺流与逆流的传播时间差与被测流体流速之间的关系来求流速的方法。其本质是超声波在流体中的传播速度受到流体流动的影响，在顺流和逆流时测出的时间会不同，因此再根据测出时间的差值就可以计算出流体的流速，也就可以计算出流体的流量。其原理图如图1所示：逆流换能器和顺流换能器相对于管道轴线的安装角度为θ，管道直径为D，两换能器直线距离为L，流体流速V。

图1 时差法超声波流量计工作原理

测量时，逆流换能器和顺流换能器交替作为接收和发射超声波端。超声波的实际传播速度c₀是声速c和流体在声道方向上的速度分量νcosθ的和：

    （1）

此时，顺逆流传播时间为：

    （2）

由上式可得到顺逆流时间差为：

    （3）

由于一般超声流量计最大可测流速在10m/s左右，而声音在流体中传播速度约为1500m/s，远远大于流体流速，所以可以近似得到顺逆流时间差为：

    （4）

相应的，流体流速流量公式可以表示如下：

    （5）

     （6）

由公式（5）可知超声波顺逆流传播时间的测量精度直接影响到流速的测量精度和测量范围。

2 脉冲序列法

脉冲序列法，它是在电平比较法的基础上引申出来的一种信号处理方法，其示意图如图2所示。系统中选择一个参考电平（阈值）对超声信号进行比较得到比较后的方波信号，测量方波信号的前六个上升沿和下降沿时间，也就是图中的t1、t2、t3、t4、t5和t6，同时记录得到的方波信号脉冲个数。得到这六个时间点和方波信号脉冲个数之后，就可以根据脉冲序列法的判断标准来进行分析，判断超声信号的质量是否满足计算流速流量的条件。

图2 脉冲序列法示意图

脉冲序列法主要是根据图示中方波信号的脉冲序列的脉宽时间来进行判断，由于硬件电路测时的限制，这里只能测量前三个脉冲的脉宽时间，考虑到脉宽时间基本满足先增后减的规律，我们选取差距较大的第一个脉冲和第三个脉冲的脉宽时间进行判断。这里我们选取的判断准则是限定第三个脉冲脉宽时间和第一个脉冲脉宽时间的比值a在一定范围内，那么关于这个范围的选取就是这个方法的重点。由于这个比值与超声信号的幅值和选取的参考电平大小都有一定关系，根据要求我们这里设定参考电平为1V，超声信号的第一个周期峰值选在1.5V左右，而实际情况中难以精确保证信号第一个周期峰值在1.5V，因此可以设定峰值为1.3V到1.8V之间。

超声波信号的包络线为调幅载波的调制信号，其数学模型为指数衰减的高斯脉冲信号，确定函数后通过仿真获得超声信号第一个周期峰值分别为1.3V和1.8V的理论时间数值如表1所示：

表1 第一周期峰值与脉冲序列脉宽比值的关系

由表1数据显示，我们看到时间数据都是ns级的，而计时芯片TDC－GP2的分辨率达到ps级，因此TDC－GP2能够满足测量时间的分辨率。但是理想超声波形和实际接收的超声波形的时间值还是会有一定的差距，因此我们对于脉宽时间的比值范围选取适当扩大一点，这里暂时设定为：1.4≤△t3/△t1≤1.9。当然，具体的范围可以根据现场情况再做调整。

在判断好脉宽时间的比值在限定范围后，我们还需要根据脉冲个数来判断顺逆流两种情况下捕获的相应时间点在同一个周期波形上，如果顺逆流捕获的时间不在同一个周期波形上，那么在计算顺逆流传播时间差时会存在一个或者多个周期的误差。因此，我们需要判断顺逆流两种情况下由参考电平比较过后的脉冲个数是相等的，由仿真图形可以暂定脉冲个数在5～7个之间为正常。

3 实验验证

建立基于脉冲序列法时差法超声波流量计系统后，在25mm管道上对其进行实验验证。首先系统测量了脉冲序列法所需的六个时间点数据用以检验脉冲序列法的效果，其测量数值如表2所示：

表2 脉冲序列法6个时间点数据

根据表2中给出的数据我们可以看到与其他数据相比第3组数据和第6组数据有较大的差异。其中第3组数据中每个时间点相比其它几组数据都大了1μs左右，这是因为它的第一个正向半波受到衰减导致其峰值小于系统设置的参考电平甚至衰减为零，因此采集到的六个时间点比预计时间后延了一个周期。这种情况下它所产生的方波信号脉冲个数可能会不满足条件，即使脉冲个数仍然在设定范围内，但是顺逆流两次测量中如果只产生一次这种状态，那么在判断顺逆流脉冲个数是否相等时也可以剔除这组数据，因此通过本论文提出的脉冲序列法进行判断可以去除这组数据给最终测量结果带来的误差。而第6组数据每个时刻点都与其他组的数据有一些偏差，比较明显的是前两个数据差距较大，通过计算可以发现第一个脉冲脉宽时间大大减小，其数值为0.10313μs，而第一个脉冲与第三个脉冲脉宽时间的比值为3.64254，远远大于其他几组数据的比值，明显超出系统设定比值范围，因此可以根据这个判断准则剔除这组数据。

本文在验证了脉冲序列法的效果之后，根据基于脉冲序列法的时差法超声波流量计系统进行了流量测量验证。实验采集了5个流速测量点进行测量，在每一个测量点处进行多次测量并将本系统设计的流量计测量结果与标准流量计测量结果进行比较，得到数据如表3所示：

表3

由表3的数据可知，25mm口径管道流速在0.2～4m/s范围内精度都在1%左右，重复性在0.5%左右。根据GB/T778.1－1996标准可知口径为25mm的管道常用流量为3.5m³/h，在该流量处测量精度和重复性均在0.6%左右，与市面上一些时差法超声波液体流量计的精度和重复性相比有了一定的提升。

4 结束语

本文在传统时差法超声波流量计基础上提出了一种新的方法，基于脉冲序列法的时差法超声波流量计设计方案，并通过实验验证了该方法的可行性。