液体超声流量测量中的传播时间精度分析
1 引 言
超声流量计目前已经在工业、医疗等很多领域内大量应用,传播时间法超声流量计因响应速度快、安装方便、维护费用低等特性成为超声流量计中最广泛使用的类型[1-3]。传播时间法要求时间测量算法能精确测量顺、逆流传播时间( 绝对传播时间) 及两者时间差( 相对传播时间) ,又满足实时性需求。互相关法是获得高精度传播时间的经典方法[4-6]。相对传播时间可由顺、逆流信号互相关得到,而绝对传播时间需顺、逆流信号分别与原始发射信号互相关得到。通常发射端超声换能器真实信号不可知,通过选择基波信号作为替代,因此绝对传播时间精度依赖于基波信号。
Tucker 等人[7]用发射端激励汉宁窗调制后电信号作为基波信号,易导致较大偏差,适宜于时间精度要求不高的场所; Brassier 等人[8]在超声气体流量测量中提出“回波法”,可以间接得到静态时相对准确的基波信号,但要求超声换能器湿安装( 与流体直接接触) ,且基波信号不能自适应调整,回波畸变时偏差较大; Kupnik 等人[9]不使用互相关法而提出了一种在时间、相位域内回波信号的过零分析方法,信号畸变时效果依然较好,但重复计算量很大,影响测量的实时性。
本文基于 Kupnik 方法提出一种基波信号的提取方法,引入能量和相位双重边界约束条件保证基波信号的准确性,划分流速分布区间,根据实际流速调整基波信号保证其适应性; 深入分析了采样率和峰值搜索因素对相对传播时间测量精度的影响。
2 传播时间法
2. 1 传播时间法原理
传播时间法测量顺、逆流传播时间及两者时差,根据流速与传播时间关系如式( 1) 所示( V 型安装) ,解算出流速,流速修正和雷诺补偿后可得到体积流量:
2. 2 超声信号模型
文中 将 超 声 信 号 简 化 为 高 斯 包 络 调 制 的 cos函数[10]:
3 绝对传播时间
绝对传播时间精度依赖于基波信号的选取。文中对基波信号的提取方法主要是利用液体中超声回波信号的相似性和相对稳定性,能量和相位约束边界决定基波信号初始点,保证基波信号的准确性。
3. 1 基波信号提取
结合图 1,基波信号提取过程分成以下几个步骤:
1) 信号加窗。依据管径、流速范围以及超声换能器特性等先验知识,估计回波信号到达位置,加时间矩形窗( 考虑 Hilbert 变换边界效应,窗体应足够长) 。信号加窗能完全消除窗外噪声干扰,同时减少计算量。
2) 能量约束。能量约束边界用来确定初始基准点位置。搜索窗内信号峰值点对应位置 kp( 如图 1 中 kp) ,计算峰值点到信号窗起始点间信号能量
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