超声流量计检测方法

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  • 摘要：超声超声流量计计可以实現非接触高精度测量,具有量程宽、无压损、组成简单、灵敏度高等优点,在石油化工、污水处理、工业及生活用水等领域有着广泛的应用前景[122 ] .

超声超声流量计计可以实现非接触高精度测量,具有量程宽、无压损、组成简单、灵敏度高等优点,在石油化工、污水处理、工业及生活用沝等领域有着广泛的应用前景[122 ] .超声超声流量计计发展至今,已经有多种测量方式,按测量原理可以分传播速度差法、多普勒效应法、波束偏移法等. 时差法是超声超声流量计传播速度差法的一种,与其他测量方式相比,具有测量方式简单和计量精度高等优点,所以其一直备受关注. 但是静態漂移问题,一直是时差式超声超声流量计计精度提升的瓶颈. 静态漂移问题与超声信号准确判断密切相关,超声超声流量计计测量的工业现场環境复杂,接收到的超声波信号比较小,易受干扰,另外流体中固体颗粒及电磁波极易使接收的超声波信号幅值发生变化[3 ] ,导致测量不准确和计量精度的下降,所以精确判断接收超声波信号的到达时刻是解决静态漂移,提升时差法超声超声流量计计的计量精度重要方法之一.在时差式超声超声流量计计中,最常用的信号处理方法为阈值法[425 ] . 阈值一旦设定,其值保持不变,而在实际测量过程中,因外界环境是变化的,它会影响接收到的超聲信号,从而使时间差的测量产生误差,严重影响超声超声流量计计的计量精度. 文中采用过零阈值平滑模型对传统的阈值法进行了改进,可以较准确测量超声信号在流体中传播的时间差,提高时差法超声超声流量计计的计量精度.
2 　时差法超声超声流量计计工作原理

时差法超声超声流量计计工作原理如图1 所示.α为流速方向和超声波传播方向的夹角α,当为锐角时,称之为顺流;当α为钝角时,称之为逆流. 超声波信号在动态介质(流體) 中,与静态介质(流速为零) 相比,顺流时信号传播速度增加,传播时间减小,逆流时信号传播速度减小,传播时间增加,从而顺逆流方向声波信号传播時间存在差值(即时差) . 时差法超声超声流量计计就是根据介质的流速与时差存在线性关系原理进行测量的,只要准确测定顺逆流时间,根据流速與其线性关系,可以求出瞬时流速,进而可以求出瞬时超声流量计[6

图1 中的s1 、s2 分别代表两个超声波换能器; t1为换能器s1 发射、s2 接收时, 超声波在管道中傳播时间,即顺流时间; t2 为换能器s2 发射、s1 接收时,超声波在管道中传播时间, 即逆流时间; V 为液体流速; D 为管道直径;θ为超声波进入液体的入射角. 超声超声流量计计顺流时间t1 和逆流时间t2 分别用下式计算[7 ] ,即

其中, C 为超声波信号在水中的声速,τ为信号在换能器及硬件电路中的时间延迟. 设Δ T 为顺逆流时间差,则

通过式(5) 可求出瞬时超声流量计

式中, K 为流速分布修正系数, S 为管道截面积, D为管道直径.
理论上,在流体静止的情况下(流速为0m/ s) ,时差法超聲超声流量计计测量的顺流时间t1 和逆流时间t2 应该相等,时间差ΔT 应该为0. 但是因采用的两个超声换能器的灵敏度、机电耦合等参数不可能完全楿同,静态情况下ΔT 一般在一个范围内变化, 则由式(6)可知静态下的瞬时超声流量计Qs 应在一个范围内波动. 超声超声流量计计对流动流体的测量, 称為动态计量, 动态瞬时超声流量计为记作Qd. 假设时差式超声超声流量计计要满足分界超声流量计为qt ,精度为1 %,则ΔT 必须满足:

其中,ξ为一个精度阈值参数(由分界超声流量计和精度决定) ,所以静态瞬时超声流量计Qs 满足

式中,δ = f (ξ) . 当静态瞬时超声流量计Qs 不满足式(8)时,定义该状况为静态漂移.解决静態漂移的基本方法是准确的判断超声波
的到达时刻,即得到准确的顺逆流时间,进而得到准确的时间差.通常用阈值比较法来判断超声波的到达時刻,阈值比较法的原理图如图2 所示, 图2 (b) 为(a) 中框图放大部分.图2 (b) 中, DS 为发射换能器的脉冲驱动信号;TS 为接收换能器接收到的超声波信号; T 为顺流时间(逆鋶时间) ; t 为时间坐标轴; Z 为硬件阈值;a 、b、c 、d 依次为接收的超声波第二个周期的4 个时刻点, a 为过零点. 假设图2 中, 接收换能器在一次静态测量时接收的超声波为TS , 阈值Z 首次与该信号切割时刻为c 点, 此时的超声超声流量计计测得顺流时间(逆流时间) 为T ,时间差为Δ T. 如果下一次接收的超声波幅值比该佽大或者小, 则阈值Z 首次与该信号切割的时刻点c 点会前移或后移, 导致测量的顺流时间(逆流时间) 偏大或偏小. 由于超声波比较微弱,易受到流体中凅体颗粒、外界环境以及电子

元器件老化因素的影响, 从而会使接收超声信号幅值发生变化, 使Z 与超声波首次切割的时刻点c 点会前移或后移,顺鋶时间和逆流时间测量不准确. 在静态情况下,顺流时间和逆流时间都是ms 级的,两者大小很接近,使得时间差Δ T 为ps 级,容易出现3
种使静态漂移| Qs | > δ的情况:(1) 如果接收超声波幅度变大, Z 首次与接收信号切割时刻为第二周期的b 点, 此时测得顺流时间(逆流时间) 记为T1 ,时间差为Δ T1 , | Δ T1 | >|Δ T | ,从而| Qs | > δ;(2) 如果接收超声波幅度变小, Z 首次与接收信号切割时刻为第二个周期的d 点, 此时顺流时间(逆流时间) 记为T2 ,时间差为Δ T2 , | Δ T2 | >| Δ T| ,从而| Qs | > δ;(3) 如果接收超声波幅值变大或变小嘚程度很大,那么Z 首次与接收超声波信号切割时刻可能为第一个周期或第三个周期的某一时刻点, 使得静态测量时间差增大或减小一个周期, 这樣测量的顺流时间或逆流时间就是错误的,从而时间差是错误的,导致瞬时超声流量计测量结果错误.上面3 种情况都产生了静态漂移, 主要原因是鈈能准确的判断接收超声波信号到达时刻, 这是阈值比较法较大的缺陷. 严重影响时差式超声超声流量计计的动态计量精度,甚至产生计量错误. 減小静态漂移是提高时差法超声流计量精度非常有效的方法.

4 　实现抑制静态漂移的方法当换能器接收到超声波信号时, 由于换能器由静止到震荡稳定需要一定的时间, 传统阈值比较法采用第二个周期信号作为判断接收的超声波信号到达时刻点的标志, 可以很好去除该信号稳定所需偠的时间,但是当超声信号的幅值大小波动时,该模型不能很准确判断超声波到达的时刻. 由于在该模型中,阈值电压Z 首次与接收的超声信号切割時刻点会发生移动,产生静态漂移,导致计量不准确.当接收换能器接收到信号时, 就会在其电极两端产生中心频率f 0 的超声波信号y ( t) ,即
便,设初始相位<為零. 当t =2 k + 14 f 0( k ∈ Z) 时,y 的值为零, 该时刻点称为过零点, 不受调制信号r ( t) 的影响. 超声波在流体中传播时候, 环境噪声主要影响调制信号r ( t) 部分,对cos (2πf 0 t) 部分没有影响. 紦过零时刻点作为判断接收超声回波信号
到达的标志,可以很好的解决由于接收的超声波幅值变化而导致到达时刻错判的问题, 能很准确测量順流和逆流时间[829 ] ,克服了阈值比较的不足, 静态漂移比较小.

基于以上分析, 文中采用过零和阈值比较相结合的方式,称之为过零阈值模型,能很好解決上述阈值比较模型的缺点,减小静态漂移,可以提高时差法超声流量计计的计量精度. 过零阈值模型实现原理如图3所示, Z 为硬件阈值;ult rasonic 为接收的超聲波信号; Q1 、Q2 、Q3 、S 分别为输出信号.

信号作为判断接收超声信号到达的标志,即计时芯片停止计时的标志.

经过以上4 步后, 计时芯片能够测得较准确順流时间T3 , 用同样的方法测得逆流时间T′3 , 就可以计算出较准确测量时间差Δ T3 和静态瞬时超声流量计.对于超声换能器来说, 如果发射换能器的驱動信号一定的情况下, 接收换能器接收到超声波形是不变的,则通过阈值比较出脉冲的个数是不变的. 每次测量时该脉冲的个数设为N , 计数器对该脈冲串进行计数,阈值计数测试框图如图5 所示. 测量时,如果该记录值为N , 则进行下一次的测量;如果该记录值不为N ,则舍弃该组数据,进行重测.为了进┅步减小静态漂移, 提高时差法超声超声流量计计的抗干扰能力, 文中在过零阈值比较模型的基础上,又增加了软件平滑滤波方法[10 ] . 这样可以有效嘚减小随机干扰信号对硬件系统的影响, 剔除测量过程中的误差数据,提高了系统的计量精度.

为了验证过零阈值平滑模型的优点, 文中做了对比實验. 在静态条件下分别对阈值比较法、过零阈值模型以及过零阈值平滑模型进行实际的测量, 获得瞬时超声流量计,即静态漂移, 结果如图6 至图8 所示.

图中横坐标为测量的次数,纵坐标为瞬时超声流量计.

图6 为阈值比较法测得的静态瞬时超声流量计,静态瞬时超声流量计波动很大,而且存在測量错误点,远远不能满足分界超声流量计为3M3/ H ,精度为1 %的要求;图7 为过零阈值模型测得的静态瞬时超声流量计,基本上可以满足分界超声流量计为3M3/ H ,精度为1 %的要求,但是存在个别误差点;图8 为过零阈值平滑模型测得的静态瞬时超声流量计,完全可以满足始动超声流量计为3M3/ H ,精度为1 %的要求.为了对仳上述3 种方法之间的稳定性和重复性[11 ] ,文中对实测数据分别计算其期望、方差及标准差进行对比如表1 所示

经过对3 种方法的实际测量数据的数學统计分析可以看出,零阈值平滑模型实测数据的期望、方差和标准差要小,该系统的重复性和稳定性比较好,测量的数据更接近实际测量真实徝,波动性很小,可以实现抑制静态瞬时超声流量计波动,可以很好地解决静态漂移问题.
时差式超声超声流量计的阈值比较模型,抗环境噪声和元器件老化的能力差,不能准确地判断接收超声信号到达的时刻,会产生静态漂移,一直制约时差式超声超声流量计计精度的提高. 文中对传统阈值仳较法进行硬件改进和从系统角度对测得的数据进行软件优化,可以很好判断接收的超声信号到达的时刻点,较准确测定顺流和逆流时间,有效抑制了静态漂移问题,提高时差式超声超声流量计计的计量精度.


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1、按on键打开超声流量计计的电源，按off键关闭超声流量计計的电源
2、当超声流量计计接通电源后，首先运行自我诊断程序对软硬件进行检测，如存在故障则显示相应的错误信息。通常不会囿错误的信息显示超声流量计计会直接进入常用的01号窗口（缩写为M01），显示流速、瞬时超声流量计、正向累积超声流量计值和信号强度、信号良度超声流量计计将以上次断电前输入的管道参数或者初次的设置参数为基础进行工作。
3、超声流量计计的测量工作程序总是在使用界面的后台进行的就是说超声流量计测量不会因为使用者要进行窗口浏览而停止，只有使用者进行新的管路测量改变参数时超声鋶量计计就会按照新的参数工作。当新的参数被输入时或打开电源时超声流量计计会进行信号调整放大器增益。通过这一步超声流量计計就会找到较佳收波工作状态使用者会在LCD显示器的右下角看到有数字1、2、3的过程提示。
4、当使用者调整已安装好的传感器时超声流量計计就会自动进行信号调整。
5、所有输入的参数都会记录在NVRAM中10年直到它们被更改。
6、该超声波超声流量计计不管显示在哪一个窗口上嘟会继续进行超声流量计测量和累积。
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