TDC超声流量计设计中的同频噪声处理

　　1 引 言

　　流量测量广泛应用于供水、电力、化工、石油、冶金、煤炭、食品、医药、农业、环境保护等各个领域，在整个工业应用领域中起着重要的作用。超声波流量计是一种采用非接触式测量方法的流量计，其测量方法主要分为：时差法[1]、多普勒法、相关法和波束偏移法等。本文介绍了一种时差法外夹式 V 型超声流量计的设计，并利用最大似然估计对待测信号中的同频噪声进行处理。

　　2 原理简介

　　时差法是利用超声波的传播时间差对流量进行测量的一种方法。通常管道中介质流速与超声波顺流和逆流传播时间存在一定的函数关系，因此只要分别测量出超声波顺流、逆流的传播时间，就可以得到沿声道传播路径上的平均流速，进而计算出流体的平均流量。

　　在外夹式[2]V 型超声流量计的设计中，超声波换能器被夹装在管道同侧，测量时交替发射和接收超声波信号，如图 1 所示。

　　图中 L 为声传播路径的单程长度，θ 为声波进入流体介质的折射角，v 是流体的流速。超声波顺流方向和逆流方向的传播时间分别为：

　　式中 c 是流体中的声速，τ 是在管壁以及换能器中的传播延时，整理可得流速 v 和传播时间 T1、T2的关系，如式(3)、(4)所示：

　　3 测量方法和测量精度的讨论

　　3.1 传统的 TDC 时差法测量[3,4]

　　TDC 即传输延迟线法，它通过统计待测信号通过逻辑门的绝对时间延迟来精确测量时间间隔，如图 2 所示。

　　设计中，使用 TDC 测量信号到达的时间。系统框图如图 3 所示，换能器测量时交替发射信号，接收到的信号通过模拟开关选择后，进入 TDC 模块中进行测量。

　　测量信号示意图如图 4 所示，start 信号是测量同步信号，stop 信号是回波经过放大滤波电路后，比较器产生的波束到达信号，TDC-GP2 测量的时间是从start信号上升沿起始至stop信号上升沿处的时间，每次测量可测 3 个值。

　　3.2 同频噪声和待测信号建模

　　设计中待测信号中主要存在两种噪声，一种是传统的高斯白噪声，由放大电路或电阻上的热噪声引起;另一种是多途噪声。后者是影响测量精度的主要因素，因此下面主要讨论多途噪声对测量精度的影响。

　　在实际测量中，声波的传播是十分复杂的，声波不仅会沿着发射和反射路径进行传播，而且会在管道内壁中经过多次反射折射，形成和与待测信号相关性很好的同频多途噪声。图 5 所示的是同频噪声下的待测信号。