多聲道超聲流量計的延時(shí)補償及定時(shí)誤差

    0 引言

    多聲道超聲流量計具有計量精度高、對管徑的適應性強、無(wú)壓力損失等優(yōu)點(diǎn)，多聲道布置方式改善了單聲道布置在非理想流場(chǎng)下測量精度相對較低的缺點(diǎn)，提升了計量精度，并且增強了對流速波動(dòng)的抗干擾能力�？捎糜诖蠊軓綔y量，解決了流體流速分布對測量精度的影響，具有較高精度。

    通過(guò)多聲道超聲流量計不同的弦向聲道長(cháng)度，在靜水狀態(tài)下，可以計算出硬件電路和超聲換能器以及算法原理上的平均延時(shí)，用以補償測量的平均傳輸時(shí)間，提高時(shí)間測量精度。在常態(tài)測量狀態(tài)下，計算各個(gè)弦向聲道的定時(shí)誤差，判斷其是否出現跳峰等錯誤，而進(jìn)一步修正測量時(shí)間。

    1 超聲波測量原理

    時(shí)差法原理如圖1所示，流體的速度為v，超聲波

圖1 速度差法原理圖

    在靜止流體中的速度為c，管徑為D，發(fā)射角度為θ，t_U、t_D為正逆程傳播時(shí)間。

    順流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度為：

        （1）

    逆流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度

        （2）

    兩式相減，并考慮到Δt=t_D－t_U，可以得到

        （3）

    2 多聲道流量計的原理

    2.1 四聲道流量計的聲道分布

    多聲道超聲波換能器分布在測量管段的不同流層，大多數采用偶數聲道的布置方式，可以更好地反映流體流速分布的對稱(chēng)性。有多種多聲道超聲流量計的聲道布置方式，包括平行方式、對角方式和網(wǎng)絡(luò )方式等。文中采用四聲道平行聲道布置方式的多聲道超聲流量計，分布方式如圖2所示。

圖2 四聲道平行聲道布置方式

    其中，超聲波換能器安裝方法采用直插法，入射角度為45°。4個(gè)聲道A、B、C、D的安裝角度分別為18°和54°。管道外徑為216mm，壁厚8mm。

    2.2 多聲道流量計的流速計算

    該四聲道超聲流量計采用時(shí)差法的測量原理。根據時(shí)差法的工作原理，從管道的橫向方向看，在各個(gè)聲道分布的弦線(xiàn)上，如圖2（a），第i個(gè)弦向聲道沿軸線(xiàn)方向的平均流速為

        （4）

    式中：υ_i（r_i）為第i個(gè)弦向聲道沿軸線(xiàn)方向的平均流速；L_i（r_i）第i個(gè)弦向聲道的聲程；θ為弦向聲道與軸向方向的夾角，即入射角度；t_Ui為第i個(gè)弦向聲道超聲波正程傳播時(shí)間；Δt_i為第i個(gè)弦向聲道正逆程傳播時(shí)間差。

    根據4個(gè)不同弦向聲道所測得的平均流速，采用加權的方法，得到多聲道超聲流量計流過(guò)橫截面的平均流速（即瞬時(shí)流速）為

        （5）

    式中：W_i為第i個(gè)弦向聲道的加權系數。

    在文中的聲道分布方式中，N=4，加權系數分別為0.22875、0.2575、0.2575、0.22875。

    3 時(shí)差法的測量延時(shí)與補償

    3.1 測量延時(shí)

    四聲道超聲流量計采用時(shí)差法的測量原理，當某一程開(kāi)始，系統發(fā)出一束方波信號，通常是差分信號，來(lái)激勵超聲波換能器，使電信號轉換為超聲波信號發(fā)送出去。超聲波信號通過(guò)一段長(cháng)度的聲程，到達接收端的超聲波換能器，換能器將超聲信號轉換為電信號，送往采樣電路，通過(guò)相應的算法確定超聲波的到達時(shí)刻。正逆程時(shí)間測量原理如圖3所示。

圖3 時(shí)間測量原理

    圖3中：A為系統發(fā)出激勵信號的起始時(shí)刻；B為超聲波從換能器翻出的時(shí)刻；C為超聲波到達接收換能器的時(shí)刻；D為測量算法確定的到達時(shí)間；τ₁為聲波在聲楔和電路中傳輸時(shí)間，稱(chēng)為電路延時(shí)；t為超聲波在聲道中的實(shí)際傳播時(shí)間；τ₂為測量算法確定的到達時(shí)刻與實(shí)際到達時(shí)刻的差，稱(chēng)為聲道延時(shí)；T為測量得到的總的超聲波傳播時(shí)間。

    采用的到達時(shí)刻確定算法為閾值法，即當接收到的超聲波信號幅度超過(guò)某一設定預知的時(shí)候，將該波的下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)作為超聲波的到達時(shí)刻。一般來(lái)說(shuō)，聲波在聲楔和電路中都會(huì )有一定的傳輸時(shí)間，即為電路延時(shí)。同時(shí)，測量算法確定的到達時(shí)刻與實(shí)際到達時(shí)刻之間會(huì )有一定的差值，即為聲道延時(shí)。如圖所示，由于有電路延時(shí)和聲道延時(shí)的存在，使得根據算法測得的總的超聲波傳播時(shí)間總是大于超聲波實(shí)際的傳播時(shí)間，即

        （6）

    3.2 測量延時(shí)補償方法

    四聲道超聲流量計擁有2個(gè)不同的聲程長(cháng)度，L_A和L_B分別為聲道A和聲道B的聲程。假設，在2個(gè)不同聲程長(cháng)度的弦向聲道中，超聲波在流體中的聲速c和延時(shí)τ相同，其中τ=τ₁+τ₂。在靜水狀態(tài)測量時(shí)，測量得到的超聲波總的傳輸時(shí)間為T(mén)，則

        （7）

    由式（7）可以得出延時(shí)τ為：

        （8）

    在實(shí)際操作過(guò)程中，可以通過(guò)式（8）來(lái)確定延時(shí)τ，單通常情況下τA≠τB。習慣的做法是在生產(chǎn)制造的過(guò)程中確定超聲波換能器和電路的延時(shí)時(shí)間。知道了延時(shí)τ，就可以用來(lái)校正傳輸時(shí)間，測量得到的超聲波總的傳輸時(shí)間T中減去延時(shí)τ就得到了超聲波在聲道中的實(shí)際傳播時(shí)間t。

    3.3 定時(shí)誤差

    假設τ_A=τ_B=0，則得

        （9）

    定義一個(gè)新的變量η，則

        （10）

    式中：t_m=t+t_e為減去延時(shí)的測量傳播時(shí)間；t_e為定時(shí)誤差。

    若所有的時(shí)間測量無(wú)誤，則η=0。若峰值選擇錯誤，出現跳峰的情況，使過(guò)零點(diǎn)的確定出現差錯，則會(huì )產(chǎn)生定時(shí)誤差t_e，如圖4所示。

圖4 過(guò)零點(diǎn)選擇

    若過(guò)零點(diǎn)選擇錯誤，定時(shí)誤差t_e存在，則

        （11）

    η的值取決于定時(shí)誤差t_e，這是一個(gè)很好的估測定時(shí)誤差影響的方法。四聲道超聲流量計可以計算出各個(gè)弦向聲道的定時(shí)誤差，從而進(jìn)一步校正測量時(shí)間，提高測量精度。

    若出現單個(gè)跳峰，則η≠0。在文中所用的實(shí)驗管道中，管道外徑為216mm，壁厚8mm，L_A=166.250mm、L_B=268.999mm，超聲波信號頻率為1MHz，周期為1μs，平均流速大約為8m/s，流體聲速為1482m/s，測得的η如表1和表2所示，單位為μs。

    通過(guò)弦向聲道A時(shí)間測量和弦向聲道B時(shí)間測量，在測量過(guò)程中，若某一聲道出現跳峰另一聲道正常，或者同時(shí)出現跳峰，同時(shí)測量正常，則在上述情況下可能的組合如表1所示。

表1 η函數值

    4 實(shí)驗結果及結論

    四聲道超聲流量計的安裝方式如圖3所示，文中所使用超聲波信號頻率為1MHz，流體聲速為1482m/s。

    在靜水測量狀態(tài)下，通過(guò)多聲道超聲流量計不同的弦向聲道長(cháng)度及其平均傳播時(shí)間，計算得到的電路延時(shí)和聲道延時(shí)之和的平均值，如表2所示。

表2 延時(shí)平均值

    用表2得到的延時(shí)的平均值來(lái)補償超聲波在聲道中的平均傳播時(shí)間，在延時(shí)補償前后，測得的超聲波在靜水中的傳播速度如表3所示。

表3 延時(shí)補償前后流體聲速    m/s

    5 結束語(yǔ)

    通過(guò)實(shí)驗結果比較可知，延時(shí)補償可以減少電路延時(shí)和聲道延時(shí)對測量結果造成的誤差，提高多聲道流量計的測量精度。同時(shí)可以在測量的過(guò)程中，動(dòng)態(tài)的監測各個(gè)弦向聲道的定時(shí)誤差，判斷是否出現跳峰等錯誤，以進(jìn)一步提高測量精度。