时差法超声波流量测量技术研究现状与应用

檀盼龙，韩思奇

（天津中德应用技术大学 智能制造学院，天津 300350）

流量测量技术在工程应用领域的作用日益重要，也是测量科学的一个主要分支。得益于计算原理简单、测量过程不与介质直接接触、在不同管径下精度较高、易于组网监控等特点，超声波流量计在工业测量中越来越受到人们重视[1]。

超声波具有两个重要的特性[2]：（1）频率很高，波长较短，可以沿直线传播，具有较强的方向性。（2）超声波能在多种介质中传播，如气体、液体、固体或多相混合物质。超声波在流动的流体中传播时，其信号就载有流体的流速信息，通过检测接收到的超声波信号就可以得到流体的流速，进而通过管径换算成流量信息。目前超声波流量计主要可分时差法[3]、多普勒效应法[4]、波束偏移法[5]、相关法[6-7]。

时差法超声波流量计因其测量精度和结果重复性等突出的优点受到越来越多研究学者的青睐，基于时差法的优越性，国内外研究学者针对超声波流量计在流量测量方面进行了深入研究，在流量计硬件结构、传播时间测量方法和回波检测等方面取得了大量研究成果。

1 时差法超声波流量计结构

时差法超声波流量计是利用流体的流动对超声波在管道中传播时间的影响，计算流体的流速和流量的一种方法。超声波在管道中的传播时间与流体的流动速度有关，在同等条件下，当超声波在流体顺流方向传播时的传播时间会减小，反之，则超声波在流体逆流方向传播时的传播时间会增大[8-9]。

典型的超声波流量计系统的硬件包括核心处理器、超声波回波检测电路、换能器驱动电路和回波放大电路等，还有用于设置参数、显示状态和输出测量结果的接口电路以及外设。

2 时间测量方法

时差法超声波流量计的实现原理，基于超声波的顺逆流时间进行精确测量，实现高精度流量测量。在超声波传播时间的测量中，集成时间数字转换芯片的使用也逐渐得到了应用，金松日提出了基于TDC-GP21时间数字转换芯片的超声波传播时间测量方案，通过提高过零点检测精度的高信噪比过零点选择比较电路取得了10 ns量级的时间检测精度。

Tang基于改进的超声波换能器驱动方法设计了新型单声道超声波流量计，根据超声波回波信号的包络线规律区分不同信噪比信号并采用优化的过零检测方法实现精确传播时间计算，实验证明该流量计的流速检测精度高于0.8%。姜燕丹通过超声波接收探头获取声波信号，建立了超声波接收信号从起振到稳定的数学模型，据此提出了一种基于模型的超声波传播时间测量的新方法。该方法利用模型参数拟合得到渡越时间参数最优值，研究成果在内径100 mm管径的气体静态和动态渡越时间测量实验中得到了验证。

3 超声波回波检测技术

超声波流量计发射端的激励信号起始时刻是可以精确控制的，而回波信号到达接收端的时刻是由管径和流体流速来确定的。常用的分析技术一般是基于傅里叶变换实现的，但傅里叶变换的特性决定了实现过程中无法将信号的时域特征和频域特征有机地结合起来，而且傅里叶谱不具备局部化分析信号的功能。邹晓红提出了基于小波分析的超声波信号提取方法，得到了较好的边缘信号，实验表明该方法适合超声波信号的检测和特征提取，在改善信噪比的同时还保持了很高的时间分辨能力，具有较好的准确性和抗噪声性能。

周志进采用将超声波信号进行3层小波分解，通过小波分析方法对信号进行重构，适当设置门限阈值对小波系数进行处理，有效地抑制了信号中噪声对测量精度的影响，取得了高于自适应滤波去噪后的测量精度。姜洪开以第二代小波为基础，构造了一种识别超声波信号时域特征的自适应第二代小波方法。该方法根据每层自适应第二代小波分解的超声波信号噪声水平，选取自适应匹配降噪阈值，对信号进行降噪和恢复，提取信号时域特征，获得了在强噪声背景下优于经典小波方法的特征识别效果。

针对高斯牛顿法对迭代初值敏感的问题，基于遗传算法的全局优化特点和高斯牛顿法的局部搜索特点提出了将两种算法结合的参数估计方法，针对超声波信号分析具有收敛速度快、精确度高的特点。

4 超声波流量检测技术应用研究与发展趋势

超声波流量计以其压损小、精度高、量程广的特点被广泛应用到气体、液体以及两相或以上混合流体的检测中。

4.1 应用研究

超声波流量检测技术在液体流量测量中的研究和应用较早，应用也较为成熟。自从天然气成为工业和民生的主要能源以来，超声波流量计以其防暴能力和高性价比受到广泛关注和应用，科研人员针对超声波气体流量测量技术进行了深入研究。除了对单一流体介质的测量以外，超声波流量测量技术也可以用于气液、汽油、液固等两相或多相流体的测量。将超声波流量计应用于气液两相流的测量，对多种超声波流量计对气液两相流的计量进行对比分析，为用户选型提供了依据。

4.2 发展趋势

超声波流量检测仪表同时具有体积小、成本低的优点，而且不受流体状态的影响，具有广阔的发展前景。综合当前的研究现状，超声波流量检测技术今后的发展趋势主要有以下几个方面：（1）集成化、高精度，超声波流量计具有更小体积、更大功率和更低功耗。（2）抗干扰性增强，新型的超声波流量计应具有更强的灵敏度和抗干扰能力，具有高稳定性。（3）智能化程度提高，更易于调整、适应不同的管径、介质和安装环境。（4）研究手段多样，不仅仅局限于实验分析研究，通过应用计算流体力学软件、算法分析软件。

5 结语

超声波在流量检测中的应用从诞生之初到现在已经有了接近百年的历史，其理论和实现形式仍在不断的发展当中，测量精度也得到了一步步的提高，并逐渐应用到气体、液体和气液、固液两相流等流体的测量当中。随着电子技术、虚拟仿真技术等领域的发展，超声波流量计的研究手段不断丰富，同时也为超声波流量计在功耗、精度和适用范围提供了更大的上升空间，航空航天、核能发电、精密医疗等必将是超声波流量计未来的应用新领域。