Ultrasonic Flow Detection Using Lambda Type Cross-correlation Time Difference Method

柏思忠

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶　400039)

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一種λ型互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量檢測(cè)方法

Ultrasonic Flow Detection Using Lambda Type Cross-correlation Time Difference Method

柏思忠

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400039)

摘要：對(duì)超聲波氣體流量檢測(cè)主流方法(Z型時(shí)差法、V型時(shí)差法和平行相關(guān)法)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出了一種λ型互相關(guān)時(shí)差法超聲波流量檢測(cè)方法。該方法采用兩對(duì)換能器，一對(duì)垂直中軸線安裝，另一對(duì)與中軸線成θ角安裝。同側(cè)換能器同時(shí)在相同介質(zhì)中發(fā)射相同波形，傳播不同行程后查找互相關(guān)性，計(jì)算相對(duì)時(shí)差，根據(jù)順流和逆流時(shí)差計(jì)算流速和流量。試驗(yàn)表明，λ型檢測(cè)方法的示值相對(duì)誤差小于0.05%，是一種精度高、簡(jiǎn)單、實(shí)用的超聲波流量檢測(cè)方法。

關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)檢測(cè)時(shí)差法平行相關(guān)法儀器儀表氣體傳播速度信號(hào)衰減

Abstract：Z type time difference method,V-type time difference method and parallel correlation method are the mainstream methods for ultrasonic gas flow detection,the advantages and disadvantages of these methods are analyzed,and the Lambda type cross-correlation time difference method is proposed.Two pairs of transducers are installed in this method,one is vertically to the central axis,and one is in angle of θ with the central axis.The transducers at the same side emit same waveforms in the same medium,at the same time,and search cross-correlation after propagating different stroke.The relative time difference is calculated; in accordance with the time difference of downstream and upstream,the flow velocity and flow are calculated.The tests indicate that the relative error of indication using Lambda type detection method is less than 0.05%,thus this is a high accurate,simple and applied ultrasonic flow detection method.

Keywords:UltrasonicFlowmeterMeasurementTime-difference methodParallel correlation methodInstrumentationGasTransmission speedSignal attenuation

0引言

超聲波氣體流量計(jì)[1-2]的起源可以追溯到20世紀(jì)70年代，其憑借準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、無(wú)可動(dòng)部件、本體無(wú)壓損和適合于大口徑、大流量計(jì)量等優(yōu)點(diǎn)異軍突起。在工業(yè)應(yīng)用中較為廣泛的超聲波氣體流量主流檢測(cè)方法[3-5]分別是Z型時(shí)差法[6]、V型時(shí)差法[7]和平行相關(guān)法[8]。Z型時(shí)差法的優(yōu)點(diǎn)[9]是具有信號(hào)檢測(cè)功能、安裝簡(jiǎn)單等；缺點(diǎn)是測(cè)量對(duì)象是絕對(duì)時(shí)間，電路延時(shí)、接收波形判決、雜質(zhì)、環(huán)境干擾和電磁輻射等因素都會(huì)影響測(cè)量精度。V型時(shí)差法[10]具有單側(cè)安裝、行程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)；但具有要求管壁內(nèi)側(cè)光滑、信號(hào)衰減大、管道壁厚形成偏差等缺點(diǎn)。平行相關(guān)法[11]的優(yōu)點(diǎn)是不受電路延時(shí)、相同干擾的影響；缺點(diǎn)是接收端對(duì)信號(hào)幅度敏感、工作持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、功耗大。針對(duì)這三種主要的測(cè)量方法[12-13]，提出了一種結(jié)合三種方法優(yōu)點(diǎn)的λ型互相關(guān)時(shí)差法。

1λ型理論模型

1.1λ型安裝模型

在過(guò)管道中軸線的同一平面(實(shí)際上AB和CD兩條中心連線只需要和管道中軸線相交，可以不在同一平面上)， 共安裝有4只收發(fā)一體超聲波換能器，管道剖面圖如圖1所示。兩對(duì)超聲波換能器安裝形狀如字母“λ”，A、B為一對(duì)，C、D為一對(duì)。A、B分別垂直于各自管壁，AB中心連線交叉且垂直于管道中軸線安裝，C、D分別與管壁成θ角。AC中心距為d1，BD中心距為d2，CD中心連線與管道中軸線交叉且成θ角(0°<θ<180°且θ≠90°)安裝。

圖1　λ型超聲波換能器安裝模型示意圖

1.2λ型基本理論分析

假設(shè)該管段的前后直管段長(zhǎng)度足夠，滿足流場(chǎng)充分發(fā)展管道[5]的條件，流速方向和管道中心軸線方向平行。

1.2.1AB線垂直于流速方向

A、B分別垂直于各自管壁，AB中心連線交叉且垂直于管道中軸線安裝。氣體在充分發(fā)展管道中流動(dòng)時(shí)，流速方向和管道中軸線平行，因此流速方向和換能器AB的中心連線相交且垂直，流速v與AB連線上超聲波傳播速度v超(無(wú)論是A→B還是B→A傳播方向)滿足矢量正交條件。

1.2.2超聲波傳播速度一致

AC中心距為d1，BD中心距為d2， d1和d2數(shù)值較小。AB和CD中心連線在同一段管道內(nèi)并且距離近，介質(zhì)、溫度、流場(chǎng)等條件基本一致。抽象出理論模型時(shí)，可以認(rèn)為超聲波在AB和CD中心線上傳播速度保持一致。

1.2.3正向逆向傳播距離不變

在圓形管道或其他呈現(xiàn)中心對(duì)稱形狀的管道充分發(fā)展流中，橫截面上的流場(chǎng)分布呈現(xiàn)中心對(duì)稱的規(guī)律。換能器AB和CD中心連線無(wú)論是正向傳播(A→B、C→D)還是逆向傳播(B→A、D→C)，經(jīng)過(guò)流場(chǎng)時(shí)的特性相同，正向和逆向傳播距離保持不變。

2λ型檢測(cè)法

2.1互相關(guān)法檢測(cè)時(shí)差[14]

發(fā)射信號(hào)s(t)經(jīng)過(guò)不同的傳播途徑L1和L2到達(dá)接收端，分別形成接收信號(hào)R1(t)和R2(t)，在有效的時(shí)間區(qū)間[t0,t0+T]內(nèi)，對(duì)R1和R2進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算。

互相關(guān)函數(shù)R(τ)最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是s(t)經(jīng)過(guò)不同傳播途徑L1和L2的時(shí)差。

2.2互相關(guān)法檢測(cè)順流時(shí)差

(1)

2.3 互相關(guān)法檢測(cè)逆流時(shí)差

(2)

2.4λ型檢測(cè)方法

經(jīng)過(guò)以上分析，管道流速v=f(D,L,θ,c,Δt1,Δt2)是AB中心線長(zhǎng)度(管道直徑)D、CD中心線長(zhǎng)度L、CD中心線與管道中軸線夾角θ、超聲波在管道中的傳播速度c、順流時(shí)傳播時(shí)差Δt1和逆流時(shí)傳播時(shí)差Δt2的函數(shù)。D、L、θ三個(gè)參數(shù)都和管道自身、超聲波換能器安裝有關(guān)，在安裝工藝環(huán)節(jié)控制；Δt1、Δt2是實(shí)際測(cè)量獲得；c受介質(zhì)、溫度的影響較大，需要溫度等因素進(jìn)行修正和補(bǔ)償，會(huì)影響測(cè)量效果，根據(jù)順流和逆流兩種情況得到的函數(shù)關(guān)系式，可以消除c這個(gè)因素。由式(1)和式(2)聯(lián)立求解，介質(zhì)中超聲波傳播速度c如式(3)所示，管道中氣體流速如式(4)所示。

(3)

(4)

考慮到超聲波換能器AB中心線距離D和CD中心線距離L滿足關(guān)系式(5)：

D=Lsinθ

(5)

代入式(3)，令:

可將式(3)簡(jiǎn)化為式(6)，將式(4)簡(jiǎn)化為式(7)：

(6)

(7)

(8)

根據(jù)管道橫截面的面積S，可以計(jì)算出體積流量

(9)

3λ型檢測(cè)方法優(yōu)缺點(diǎn)

3.1消除介質(zhì)和環(huán)境因素影響

λ型檢測(cè)法采用相同波形同時(shí)在相同介質(zhì)中傳播不同行程，查找接收信號(hào)的互相關(guān)性。雖然信號(hào)在傳輸過(guò)程中會(huì)受介質(zhì)和環(huán)境因素影響發(fā)生畸變，但兩路信號(hào)在相同的介質(zhì)和環(huán)境中發(fā)生畸變的情況相似。保持彼此間的相似性，接收端的最大互相關(guān)檢測(cè)就不受影響。

3.2降低接收端判決要求

平行安裝法的接收端互相關(guān)檢測(cè)是在持續(xù)波形中找到介質(zhì)隨機(jī)調(diào)制的相似性，信號(hào)幅度變化是個(gè)敏感量，判決要求高。對(duì)于λ型檢測(cè)法，接收信號(hào)是一個(gè)時(shí)限信號(hào)，只需要在接收端檢測(cè)有信號(hào)時(shí)兩者互相關(guān)的最大值即可，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)安裝角度θ，增大行程差，增加接收信號(hào)的時(shí)差，降低接收判決的困難程度。

3.3避免測(cè)量絕對(duì)時(shí)間

超聲波信號(hào)的“拖尾”現(xiàn)象，決定了接收端是一個(gè)持續(xù)一定時(shí)長(zhǎng)的多周期信號(hào)，能否準(zhǔn)確定位接收信號(hào)的接收時(shí)刻會(huì)影響測(cè)量的絕對(duì)時(shí)間。同時(shí)，超聲波換能器的壓電轉(zhuǎn)換慣性遲滯和電路延時(shí)也會(huì)影響超聲波傳播絕對(duì)時(shí)間的測(cè)量。

λ型檢測(cè)法采用相同的超聲波換能器、相同的發(fā)射信號(hào)、相同的管段、相同的介質(zhì)和不同的行程，用最大互相關(guān)法檢測(cè)兩種情況下的相對(duì)時(shí)差。一方面測(cè)量相對(duì)時(shí)差消除了超聲波換能器和電路固有時(shí)延的影響；另一方面接收端直接計(jì)算兩個(gè)接收信號(hào)的互相關(guān)最大值，不需要準(zhǔn)確定位某個(gè)接收信號(hào)到達(dá)的絕對(duì)時(shí)刻，減少了測(cè)量傳播時(shí)間的影響因素。

3.4避免反射衰減

對(duì)于V型互相關(guān)檢測(cè)法，其采用超聲波反射方式，依賴于流量管道內(nèi)壁的反射系數(shù)，并且行程長(zhǎng)、衰減大。λ型檢測(cè)法采用對(duì)射技術(shù)，對(duì)流量管道內(nèi)壁的反射系數(shù)沒有要求，行程短、衰減小。

3.5增加硬件成本

相比Z型時(shí)差法和V型互相關(guān)超聲波流量檢測(cè)方式只用一對(duì)超聲波換能器，λ型檢測(cè)法采用兩對(duì)超聲波換能器，在硬件上需要增加一對(duì)超聲波換能器。相比Z型時(shí)差法直接判決接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻，λ型檢測(cè)法接收端采用高速數(shù)據(jù)采樣進(jìn)行最大互相關(guān)檢測(cè)，硬件成本也會(huì)增加。

3.6增加軟件復(fù)雜度

λ型檢測(cè)法接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)檢測(cè)時(shí)，不同管徑、不同流速和不同精度對(duì)互相關(guān)算法數(shù)據(jù)量的多少和處理要求都不一樣，整體比Z型時(shí)差法、V型和平行安裝的互相關(guān)檢測(cè)法復(fù)雜程度要高。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在兩條滑軌的夾具上固定2對(duì)相同型號(hào)的超聲波換能器，放置到風(fēng)洞中，改變流速和換能器之間的距離，用實(shí)時(shí)采樣速率為200 MS/s的泰克示波器(型號(hào)：TDS2022B)測(cè)試接收端波形時(shí)差，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　λ型檢測(cè)法實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表1

由表1可知，在最嚴(yán)酷的小管徑低流速測(cè)試條件下，計(jì)算結(jié)果誤差小于示值的0.05%，完全可以滿足超聲波氣體流量計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[15-17]。

5結(jié)束語(yǔ)

本文分析了超聲波氣體流量主流檢測(cè)方法Z型時(shí)差法、V型反射和平行安裝互相關(guān)檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，并針對(duì)各自的缺點(diǎn)，結(jié)合它們的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種全新的λ型檢測(cè)法。λ型檢測(cè)法采用兩對(duì)超聲波換能器成λ型安裝，采用對(duì)射方式。接收端判決采用最大互相關(guān)算法測(cè)量順流和逆流相對(duì)時(shí)差，避免了反射方式信號(hào)衰減大、測(cè)量絕對(duì)時(shí)間影響因素多、接收信號(hào)持續(xù)存在檢測(cè)調(diào)制相關(guān)性要求高等問(wèn)題。最后經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，λ型檢測(cè)法是一種測(cè)量精度高、簡(jiǎn)單、實(shí)用的超聲波氣體流量計(jì)檢測(cè)方法。

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中圖分類號(hào)：TP216;TH86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602021

國(guó)家“十二五”科技支撐基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2014BAC17B00)。

修改稿收到日期：2015-05-12。

作者柏思忠(1978-)，男，2004年畢業(yè)于重慶大學(xué)電路與系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，助理研究員；主要研究方向?yàn)橥咚钩榉帕髁坑?jì)量和監(jiān)測(cè)監(jiān)控。