摘要：一般时差式超声波流量计在测量环境较差的场合，由于流场不稳和杂质干扰等原因，超声回波信号会出现幅值衰减的现象，导致流量测量出现错误。针对以上问题，提出了以“测检结合”为核心思想的时差式超声波流量测量方法。依靠阈值比较法获得较高的渡越时间测量精度，同时依靠包络线相关法对波形质量进行判断，保证最终求得的流量的正确性。主要研究了回波信号的处理方法，在搭建了实验平台的基础上进行了实验。实验结果表明提出的方法具有较高的精度、稳定性和抗干扰能力同时计算相对简单、价格较低的优点。
关键词：时差法；超声波流量计；回波信号；包络线相关法
1前言
时差法超声波流量计凭借其精度高、测量范围大、无压力损失、安装方便、对管道口要求低等优势，被广泛使用在电力、石油、化工，特别是水利系统中。传统的超声波流量计大多采用外接电源供电。在供电困难的情况下，其使用受到了一定的限制。采用电池供电可以较好地解决这个问题。但在使用电池供电时，用户的关注点在于流量测量的准确性。
2系统硬件设计
2．1系统整体结构图
根据系统设计要求，系统总体结构设计包括微处理器模块，驱动模块、信号收发控制模块、信号处理模块、高精度计时模块、AD采样模块、电源模块和液晶显示模块几部分组成。高精度计时模块中，其测量精度直接影响流量的计算，因此本论文选择的计时芯片为Maxim公司的MAX35101芯片，其典型分辨率达到20ps，满足本系统要求。AD采样模块中，AD采样速度影响采集到的波峰值与实际值之间的误差，因此本论文选择ADI公司的AD9280芯片，其采样速度最高可以达到32MHz，满足本系统要求。
2．2信号处理电路的设计
由于超声回波信号幅值较小，不能满足后续高精度计时模块的测量需求，同时超声回波信号在传递工程中也受到各种噪声的干扰，影响高精度计时模块计时精度，所以需要对模拟信号进行放大和滤波处理，保证到达高精度计时模块的超声回波信号幅值可以满足测量需求并且不会受到噪声干扰。当接收到的信号包含的噪声为主要矛盾，噪声幅度远远大于信号幅度，则需要先进行滤波，然后再放大。因为假设先对信号进行放大，接收到的信号噪声幅度较大，放大器将输出饱和，导致信号被进一步削弱，就算后继滤波做得再好也已经没有意义。当接收到的信号和噪声幅度都很小。这种情况下为了尽量多的保存信号的信息需要先进行放大，再滤波。放大不会导致饱和输出，最大程度上保存了原始信号。假设先滤波再放大，则可能在滤波过程引入其他微弱干扰同时可能使信号产生一定的畸变，这就相当于加入了噪声。这种情况需要先进行放大处理。另外，由于芯片允许的输入模拟信号为0～2V，而经过超声回波信号处理模块处理后的超声回波信号为峰峰值约为1V的交流信号，不能满足条件，所以要对超声回波信号进行进一步处理。进入放大电路的超声回波信号是电容之前没有抬升的超声回波信号，放大电路有两路，分别用来放大顺流和逆流两路超声回波信号，两路放大电路参数相同。由于前面超声回波信号处理电路的可控增益放大电路已经将超声回波放大到峰峰值1V了，所以此处放大电路设定为增益固定，放大四倍，这样就可以得到峰峰值4V的超声回波信号。
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3实验设计与验证
3．1实验装置介绍
本文实验选择GE公司的超声波流量计换能器，50mm口径管道，在零流速下进行实验，并且通过使用注射器向管道中打入气泡使超声回波信号产生幅值整体衰减，来模拟实际测量过程中的干扰导致超声回波幅值整体衰减的情况。通过在本文设计的系统上进行的观测，数据的采集、处理与分析，实验方案的验证。
3．2基于AD采集的信号处理方法的验证
采集20组数据，分别在不采用AD采集的包络线相关法进行识别矫正和采用AD信号包络线相关法进行识别矫正两种情况下计算渡越时间差，观察包络线相关法对于错波现象的识别矫正成功率。在20次测量中，出现8次“错波”现象，使用包络线相关法能够将8次“错波”情况全部检测出来，并且依据包络线相关法校正后的数据符合实际情况。由此可以得出，包络线相关法对于“错波”情况检测的成功率较高，依据基于AD采集的信号处理和包络线相关法的结论对渡越时间差数据进行修正的可靠性较高。
4时差法流量计改进措施与方法
超声波流量计测得的流速与时间差和路径有关，流量与管径有关；要提高超声波流量计的计量精度，需要从以下几个方面改进：（1）提高超声波流量计的信号强度由于西北引黄灌区景电灌区为电力提灌灌区，多采用管道有压输水，灌溉引水量大，主干管管道多为大口径管道，超声波在介质中传播时，由于介质对声波的吸收、散射以及超声波束自身的扩散因素，其强度随传播距离的增加会逐渐减弱，直径越大的管道意味着强度的衰减会越严重，因此，保证超声波流量计的信号强度能力是提高测量精度的基础。声强衰减的原因分为：介质对声波能量的吸收而引起的衰减，即吸收衰减；介质中颗粒对声波能量的散射引起的衰减，即散射衰减；由于声波波束扩散而引起的衰减称为扩散衰减；前两类衰减取决于介质的特性，而后一类则由声源的特性而引起。但由于传播介质无法改变，因此只能通过改变声源的特性来提高信号强度。本研究从两方面改变声源的特性：1）声源强度的提高，通过改变声源的频率改变声源的强度。采用不同的频率流量计，对比分析了不同管径声强的大小，信号驱动及接受处理变送器采用KRCFLOMMC智能型作为接受判断端设备；进而选择合适的声源的谐振频率，以提高信号强度。2）改变声源声导材料，减少声源声强损失。国内普遍使用的声导材料为聚砜，将聚砜替换成聚醚醚酮（peek），在特性上peek中的声速值更接近金属材质中的声速，这样就可以减小进入介质前的声速能量损失，并在核心计算上考虑更小的偏差折射因素。同时为了保证声楔内压电陶瓷与粘合胶之间的耦合程度，采用螺纹封盖来实现陶瓷片挤压贴合。（2）选择合适的换能器安装方式根据声路数量（1、2、3、4条声路），换能器安装方式与方法可分为Z法、V法、N法和W法。奇数声程（对角线模式，Z法、N法）中，传感器应安装在管路的相对侧；偶数声程（反射模式，V法、W法）中，传感器应安装在管路的同一侧。因超声波传播行程相对较长时信号稳定性相对较好，但同时产生信号强度衰减量增加；行程相对较短时，信号强度就相对较高，但不利于信号的稳定。为减少超声波传播过程中的衰减，兼顾信号的稳定性，宜采用单行程的安装方法，以提高计量精度。
5结束语
综上所述，在测量环境较差的场合，由于流场不稳和杂质干扰等原因，超声回波信号会出现幅值衰减的现象，导致流量测量出现错误。相关法超声波流量计虽然能够克服超声回波信号幅值衰减导致流量测量错误的情况，但是由于其存在计算复杂、价格高的缺点，应用也存在问题。
参考文献：
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论文作者:刘俭,惠爽
论文发表刊物:《基层建设》2018年第36期
论文发表时间:2019/1/25
标签：信号论文; 回波论文; 声源论文; 超声论文; 包络论文; 测量论文; 模块论文; 《基层建设》2018年第36期论文;