基于相關法的豎管內置式超聲流量測量設計

摘要 針對特定環境下，在管外壁安裝探頭不便的情況，設計了將探頭內置在管內與流動方向平行的超聲波流量測量方式和相應裝置，在計算時間差時，采用相關法計算時間差，相關法本身具有一定的濾波去噪特性，提高了時間差的測量精度。系統硬件設計了超聲波發射、接收及放大電路，采用高速模數轉換器數字化接收信號。實驗表明，電路產生的脈沖幅度高、寬度窄，能有效地激勵超聲換能器。波形進行采樣相關處理后的計算值與實際值誤差很小，提高了所求時間差的精度，從而更好的進行流量計算。
關鍵詞 超聲波流量測量；時間差；相關法；高精度

在工業生產過程中，流量測量是應用廣泛的測量物理量。在特殊情況下，如豎直油井等不易管道外置安裝探頭時，需要設計一種儀器設備對管內安裝進行測試流量。在實際情況中，由于探頭內置在被測液體中，發射接收的波形會受干擾，所以本設計主要針對采用相關法原理設計的超聲波流量計對液體流量進行測量。在測量系統中流動噪聲可利用傳感器檢測，而相關法測量延時的特點是抵御噪聲的能力強，只要干擾噪聲與接收信號不相關，測量結果就不受干擾噪聲的影響，采用兩組探頭，把發射信號和接收的信號做相關運算處理，得出較好的波形。

1 測量原理
當超聲波在液體中傳播時，與液體流動方向相同或相反時，超聲波傳輸時間不同。在本次設計中，將采用探頭相對并且浸在被測液體中，整體的檢測部分在管內進行。設計如圖1所示若在固定長度L的距離內，分別放置兩組超聲波發送器S1、S2和接收器R1、R2，則對于順流和逆流有。

式(1)和式(2)中，C為超聲波在靜止流體內的傳播速度；V為流體流動的速度；T1為順流傳播所需要的時間；T2為逆流傳播所需要的時間。
由式(1)變形得

由發射信號和接收信號做相關，可以測得傳輸時間。相關法主要是指兩路信號之間的相似性，其中一路信號較另一路信號有一個時間上的延遲。對兩路信號的互相關函數進行計算，并計算出對應于最相似時所對應的時間，即互相關函數的峰值點所對應的間，即為渡越時間τ。
超聲波換能器發出一個信號x(t)，超聲波換能器收到一個信號y(t)，理論上信號y(t)是信號x(t)的一個延時信號，兩個信號的波形相似，只是在時間軸上有時間間隔△t=t2-t1的兩組信號，由相關理論計算出這兩個信號的相關函數Rxy(τ)，表達式為