基于互相关理论的时差法超声波流量检测系统

　　介绍一种时差法超声波流量检测系统。系统以两超声探头同侧 型安装方式，采集顺、逆流回波信号经插值后作互相处理，由互相关函数的峰值得出两回波信号的时差，间接测出流量。插值算法的引入，提高了回波信号的时间分辨率，实现了微小时差的测量。该系统测量精度高、统计特性好，在液压系统的测量中取得了较理想的效果。

　　1引言

　　液压系统传动比大、运行平稳、响应快等特点，在各种机械设备及自动控制系统中得到了广泛的应用。流量是反映液压系统状态的主要参数之一，是液压系统故障诊断的基础。超声波管外测量通过检测超声波回波信号即可得到流量信h,，具有不破坏流体流场，没有机械惯性，瞬态响应快、动态测量能力强、安装方便等优点，广泛的应用于液体、气体的流量检测。

　　超声波流量检测是通过检测流体流动对超声脉冲的作用以测量流速进而转化成流体流量的。根据对信号检测的原理，超声流量检测可分为传播速度差法 (直接时差法、时差法、相位法和频差法)、波束偏移法、多普勒法等。时差法流量检测又分过零平均法和互相关法。互相关流量测量技术是以随机过程互相关理论为基础发展起来的一种超声波流量检测技术。随着FFT算法的快速发展极大的提高了在频域内进行互相关运算的速度，促进了互相关流量测量技术的发展。

　　2测量原理

　　时差法超声波流量检测原理如图1所示，一对超声波换能器采用管外V型安装方式，换能器安装时前端而的距离为L。

　　在图1测量方案中，超声波换能器TRA和TRB在控制电路的作用下，将同时发射超声波脉冲，并同时接收对方发射的超声波信号。超声波换能器的K值决定了超声波信号入射角的大小，而管道材料和K值将共同决定将由管道材料和被测流体的类型所决定。超声波信号发射后以的角度穿过换能器斜楔，在换能器界而发生折射后，超声波以的角度穿过管壁，在管壁与被测流体的分界而上发生第一次折射，此后超声波信号以穿过被测流体达到对而的管壁内侧而，经反射后超波信号按相反的顺序进入另外一个换能器。

　　根据流体力学理论可知，只要测得流体的线流速并加以校正，获得而流速的大小，就可得到流量Q。设超声波顺流和逆流到达接收探头的时差为静止流体中的声速为Co，通过推导可以得到流体流速的计算公式:

　　两通道高速数据采集卡同时采集两探头接收到的数据，得到采集序列chl(n)和ch2(n)，序列中点的序数与采样周期的乘积即是该点代表的时间。通过分析处理chl(n娇IIch2(n)，可以精确地测得是一个由换能器、管道材料、管壁和流体性质确定的量，利用折射定律计算得到，同时利用声速与温度拟合公式，计算出Co,最后山(1)式准确求出流体流速V，进而求得流量Q.