相关法在超声波流量计设计中的应用

　  超声波流量计是一种非接触式仪表,在石油、医药、水资源管理等领域有着广泛的应用,其应用的关键参数为测量精度.超声波流量计有多种测量方法,相位差法是其中的一种.然而传统的相位差测量方法抗干扰能力差[1],对此本文提出了以相关原理来测量相位差的方法.它具有较高的抗干扰能力,且加入插值算法更能提高测量的精度.

1　超声波流量计常用测量方法及工作原理

　　用超声波测量流量的方法有传播速度差法(包括:时差法、相位差法、频差法)、多普勒法、相关法、波束偏移法等[2].

传播速度差法是利用超声波沿流体顺流和逆流传播时的不同速度来测量流速的.超声波在流体中顺流传播时,速度将加快,逆流传播时速度会减小,两个速度的差值越大,表明流体流速越快,反之则慢.

多普勒法是根据物理学中的多普勒效应来实现的[4].这种方法主要用于精度不高、含有固体颗粒及杂质比较多的场合,而在比较洁净的流体中就难以发挥作用.

相关法测量原理是测出流体在管道内流动时,流动介质中可以观测到的某种示踪标记沿流动方向两固定点所渡越的时间,以此来求取流速及流量.相关法测量的精度较高,多用于两相流的流速测量中.可以在测试系统中采用3个甚至更多的控制截面来提高测量的精度.其缺点是需要多个传感器,成本较高.

2　相关原理在相位差测量中的应用

相位差法测量的物理量是两组信号的相位差.当发射是连续的超声波脉冲,或周期较长的脉冲时,两接收探头收到的信号之间就会产生相位差,其相位差反应了流速的大小[4].产生的相差

式中:f———超声波频率;

Δt———时差.

由此可计算出流速

式中:c———超声波在静止流体中的传播速度;

v———流体的速度;

d———管道内径.

传统的相位差测量方法是将两个同频被测信号整形为两个方波信号,其前后沿分别对应于被测信号的正向过零点和负向过零点,再用填充计数法测量出这两个同频方波的前沿(或后沿)之间的时间差,即求出这两个被测信号之间的相位差[5].这种相位差测量方法要求被测信号在过零点时刻的波形准确,若被测信号受到干扰,将会改变被测信号前沿(或后沿)的位置,从而使测出的相位差产生错误,严重影响测量的精度.相关算法具有较高的抗干扰性,所以本文提出用相关算法来测量相位差.

图1中,探头C、D接收到的信号为X(t)、Y(t),如图2所示. Y(t)是X(t)的一个简单的延迟,此时两组信号的互相关函数为