超声波流量计的高精度测量技术

　　1　引　　言

　　超声波在水中的传播速度与水的温度、杂质和水的深度有关,超声波信号的强度是随距离变化的,主要是由液体分子、固体微粒、悬浮物和气泡等的作用,声波的能量将被吸收和反射,强度将减弱。同时由于噪声的影响,接收信号也不稳定,因此,在时差法流量计中,测量超声波传播时间的精度是流量计测量精度的关键。超声波信号在检测中,必须采用高精度的传播时间测量方法和信号的有效性检测方法。

　　2　信号检测原理

　　时差法超声波流量计的原理是利用超声波在流体中顺、逆流传播速度变化,引起超声波的传播时间变化,根据这两个时间来测量流速进而计算出流量。为了能正确地识别接收信号的第一个有效脉冲,流量计采用了信号自动增益控制(AGC),预期到达信号的范围门控制,以及信号的有效性检验方法。

　　2.1　信号自动增益控制

　　对于多声路超声波流量计,发射和接收电路是公用的,通过传感器切换电路进行各个声路顺流和逆流传播时间测量的转换,但由于各个声路的长度不同、传感器的特性存在差异,每次测量的接收信号大小也不同。要实现超声波信号的精确测量,必须根据接收脉冲的强度自动调节接收电路增益,而且每个方向上的增益都要单独控制。每次测量结束后,自动增益控制电路按照刚才处理的信号强度调节增益变大或变小。若检测到噪声或输入信号太强则调小增益,如果输入信号太弱且噪声级很低则调大增益。仪器保存该新的自动增益设置值,在下一次测量同一方向时自动将接收增益设置为该新值。上电后或者声路刚进入有效工作时,自动增益控制电路设置一个与该声路长度成正比的初始增益。声路越长,增益越大。AGC电路保证了每次检测门槛的精确性。

　　2.2　信号范围门控制

　　预期到达信号的范围门是根据每一声路的长度和流经测量断面的流量范围预期信号最早和最晚到达的时间确定的。该最早和最晚到达时间用来定义三个门:噪声门、范围门及溢出门。在最早到达时间的0.6倍处打开接收信号通道,这样可以防止发射脉冲给接收信号带来的干扰及其它干扰,在最早到达时间的0.8倍处开始等待接收信号,在这之间为噪声门,它可以排除　　开关动作带来的干扰,在最晚到达时间的1.5倍处关掉接收通道,此处为溢出门,噪声门与溢出门之间为范围门(传播时间范围)。噪声门、范围门及溢出门示意图如图1所示。

　　2.3　信号有效性检验

　　确定信号接收范围在一定程度上有效地抑制了噪声的干扰。信号有效性检验方法是根据传感器接收信号特性以及在实验测量的基础上确定的,设置一个有效信号检测门槛来验证检测电平的有效性。接收信号的门槛检测电平为+0.2V,另外增设一个过-0.2V的门槛电平;当系统检测到+0.2V的信号后,只有当在它之后的-0.2V电平信号到达时间在有效范围之内时,才认为刚才检测到的信号是有效的。否则,认为检测到的是噪声。信号有效性检验确保了检测到的信号的可靠性。