檀盼龍，韓思奇

（天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 智能制造學(xué)院，天津 300350）

流量測(cè)量技術(shù)在工程應(yīng)用領(lǐng)域的作用日益重要，也是測(cè)量科學(xué)的一個(gè)主要分支。得益于計(jì)算原理簡(jiǎn)單、測(cè)量過(guò)程不與介質(zhì)直接接觸、在不同管徑下精度較高、易于組網(wǎng)監(jiān)控等特點(diǎn)，超聲波流量計(jì)在工業(yè)測(cè)量中越來(lái)越受到人們重視[1]。

超聲波具有兩個(gè)重要的特性[2]：（1）頻率很高，波長(zhǎng)較短，可以沿直線傳播，具有較強(qiáng)的方向性。（2）超聲波能在多種介質(zhì)中傳播，如氣體、液體、固體或多相混合物質(zhì)。超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，其信號(hào)就載有流體的流速信息，通過(guò)檢測(cè)接收到的超聲波信號(hào)就可以得到流體的流速，進(jìn)而通過(guò)管徑換算成流量信息。目前超聲波流量計(jì)主要可分時(shí)差法[3]、多普勒效應(yīng)法[4]、波束偏移法[5]、相關(guān)法[6-7]。

時(shí)差法超聲波流量計(jì)因其測(cè)量精度和結(jié)果重復(fù)性等突出的優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多研究學(xué)者的青睞，基于時(shí)差法的優(yōu)越性，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)超聲波流量計(jì)在流量測(cè)量方面進(jìn)行了深入研究，在流量計(jì)硬件結(jié)構(gòu)、傳播時(shí)間測(cè)量方法和回波檢測(cè)等方面取得了大量研究成果。

1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)

時(shí)差法超聲波流量計(jì)是利用流體的流動(dòng)對(duì)超聲波在管道中傳播時(shí)間的影響，計(jì)算流體的流速和流量的一種方法。超聲波在管道中的傳播時(shí)間與流體的流動(dòng)速度有關(guān)，在同等條件下，當(dāng)超聲波在流體順流方向傳播時(shí)的傳播時(shí)間會(huì)減小，反之，則超聲波在流體逆流方向傳播時(shí)的傳播時(shí)間會(huì)增大[8-9]。

典型的超聲波流量計(jì)系統(tǒng)的硬件包括核心處理器、超聲波回波檢測(cè)電路、換能器驅(qū)動(dòng)電路和回波放大電路等，還有用于設(shè)置參數(shù)、顯示狀態(tài)和輸出測(cè)量結(jié)果的接口電路以及外設(shè)。

2 時(shí)間測(cè)量方法

時(shí)差法超聲波流量計(jì)的實(shí)現(xiàn)原理，基于超聲波的順逆流時(shí)間進(jìn)行精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)高精度流量測(cè)量。在超聲波傳播時(shí)間的測(cè)量中，集成時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的使用也逐漸得到了應(yīng)用，金松日提出了基于TDC-GP21時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的超聲波傳播時(shí)間測(cè)量方案，通過(guò)提高過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)精度的高信噪比過(guò)零點(diǎn)選擇比較電路取得了10 ns量級(jí)的時(shí)間檢測(cè)精度。

Tang基于改進(jìn)的超聲波換能器驅(qū)動(dòng)方法設(shè)計(jì)了新型單聲道超聲波流量計(jì)，根據(jù)超聲波回波信號(hào)的包絡(luò)線規(guī)律區(qū)分不同信噪比信號(hào)并采用優(yōu)化的過(guò)零檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)精確傳播時(shí)間計(jì)算，實(shí)驗(yàn)證明該流量計(jì)的流速檢測(cè)精度高于0.8%。姜燕丹通過(guò)超聲波接收探頭獲取聲波信號(hào)，建立了超聲波接收信號(hào)從起振到穩(wěn)定的數(shù)學(xué)模型，據(jù)此提出了一種基于模型的超聲波傳播時(shí)間測(cè)量的新方法。該方法利用模型參數(shù)擬合得到渡越時(shí)間參數(shù)最優(yōu)值，研究成果在內(nèi)徑100 mm管徑的氣體靜態(tài)和動(dòng)態(tài)渡越時(shí)間測(cè)量實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

3 超聲波回波檢測(cè)技術(shù)

超聲波流量計(jì)發(fā)射端的激勵(lì)信號(hào)起始時(shí)刻是可以精確控制的，而回波信號(hào)到達(dá)接收端的時(shí)刻是由管徑和流體流速來(lái)確定的。常用的分析技術(shù)一般是基于傅里葉變換實(shí)現(xiàn)的，但傅里葉變換的特性決定了實(shí)現(xiàn)過(guò)程中無(wú)法將信號(hào)的時(shí)域特征和頻域特征有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，而且傅里葉譜不具備局部化分析信號(hào)的功能。鄒曉紅提出了基于小波分析的超聲波信號(hào)提取方法，得到了較好的邊緣信號(hào)，實(shí)驗(yàn)表明該方法適合超聲波信號(hào)的檢測(cè)和特征提取，在改善信噪比的同時(shí)還保持了很高的時(shí)間分辨能力，具有較好的準(zhǔn)確性和抗噪聲性能。

周志進(jìn)采用將超聲波信號(hào)進(jìn)行3層小波分解，通過(guò)小波分析方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行重構(gòu)，適當(dāng)設(shè)置門限閾值對(duì)小波系數(shù)進(jìn)行處理，有效地抑制了信號(hào)中噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響，取得了高于自適應(yīng)濾波去噪后的測(cè)量精度。姜洪開(kāi)以第二代小波為基礎(chǔ)，構(gòu)造了一種識(shí)別超聲波信號(hào)時(shí)域特征的自適應(yīng)第二代小波方法。該方法根據(jù)每層自適應(yīng)第二代小波分解的超聲波信號(hào)噪聲水平，選取自適應(yīng)匹配降噪閾值，對(duì)信號(hào)進(jìn)行降噪和恢復(fù)，提取信號(hào)時(shí)域特征，獲得了在強(qiáng)噪聲背景下優(yōu)于經(jīng)典小波方法的特征識(shí)別效果。

針對(duì)高斯牛頓法對(duì)迭代初值敏感的問(wèn)題，基于遺傳算法的全局優(yōu)化特點(diǎn)和高斯牛頓法的局部搜索特點(diǎn)提出了將兩種算法結(jié)合的參數(shù)估計(jì)方法，針對(duì)超聲波信號(hào)分析具有收斂速度快、精確度高的特點(diǎn)。

4 超聲波流量檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究與發(fā)展趨勢(shì)

超聲波流量計(jì)以其壓損小、精度高、量程廣的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用到氣體、液體以及兩相或以上混合流體的檢測(cè)中。

4.1 應(yīng)用研究

超聲波流量檢測(cè)技術(shù)在液體流量測(cè)量中的研究和應(yīng)用較早，應(yīng)用也較為成熟。自從天然氣成為工業(yè)和民生的主要能源以來(lái)，超聲波流量計(jì)以其防暴能力和高性價(jià)比受到廣泛關(guān)注和應(yīng)用，科研人員針對(duì)超聲波氣體流量測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了深入研究。除了對(duì)單一流體介質(zhì)的測(cè)量以外，超聲波流量測(cè)量技術(shù)也可以用于氣液、汽油、液固等兩相或多相流體的測(cè)量。將超聲波流量計(jì)應(yīng)用于氣液兩相流的測(cè)量，對(duì)多種超聲波流量計(jì)對(duì)氣液兩相流的計(jì)量進(jìn)行對(duì)比分析，為用戶選型提供了依據(jù)。

4.2 發(fā)展趨勢(shì)

超聲波流量檢測(cè)儀表同時(shí)具有體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，而且不受流體狀態(tài)的影響，具有廣闊的發(fā)展前景。綜合當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，超聲波流量檢測(cè)技術(shù)今后的發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：（1）集成化、高精度，超聲波流量計(jì)具有更小體積、更大功率和更低功耗。（2）抗干擾性增強(qiáng)，新型的超聲波流量計(jì)應(yīng)具有更強(qiáng)的靈敏度和抗干擾能力，具有高穩(wěn)定性。（3）智能化程度提高，更易于調(diào)整、適應(yīng)不同的管徑、介質(zhì)和安裝環(huán)境。（4）研究手段多樣，不僅僅局限于實(shí)驗(yàn)分析研究，通過(guò)應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件、算法分析軟件。

5 結(jié)語(yǔ)

超聲波在流量檢測(cè)中的應(yīng)用從誕生之初到現(xiàn)在已經(jīng)有了接近百年的歷史，其理論和實(shí)現(xiàn)形式仍在不斷的發(fā)展當(dāng)中，測(cè)量精度也得到了一步步的提高，并逐漸應(yīng)用到氣體、液體和氣液、固液兩相流等流體的測(cè)量當(dāng)中。隨著電子技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展，超聲波流量計(jì)的研究手段不斷豐富，同時(shí)也為超聲波流量計(jì)在功耗、精度和適用范圍提供了更大的上升空間，航空航天、核能發(fā)電、精密醫(yī)療等必將是超聲波流量計(jì)未來(lái)的應(yīng)用新領(lǐng)域。