1 引言

超聲波流量檢測(cè)技術(shù)根據(jù)被測(cè)流體對(duì)超聲波傳播速度產(chǎn)生調(diào)制來實(shí)現(xiàn)流速測(cè)量。近年來隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、大規(guī)模數(shù)字電路的應(yīng)用以及新型*的出現(xiàn)，促使超聲波流量檢測(cè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。與傳統(tǒng)的流量計(jì)相比超聲波流量計(jì)解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠液體流量測(cè)量困難的問題，同時(shí)，可以測(cè)量包括：液體、氣體，甚至對(duì)雙相介質(zhì)在內(nèi)的液體流量，對(duì)測(cè)量介質(zhì)無要求。且具有低壓降、低能量消耗、測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)，所以它正在逐漸取代機(jī)械式的流量計(jì)。但超聲波用于小口徑流量測(cè)量時(shí)，由于超聲波穿過被測(cè)液體的時(shí)間很短，有用的測(cè)量信號(hào)容易被雜波所淹沒，從而影響流量的測(cè)量精度。針對(duì)小口徑超聲波流量檢測(cè)的上述問題，通過硬件電路設(shè)計(jì)和軟件算法的改進(jìn)，較好的解決了測(cè)量精度問題。

2 超聲波流量計(jì)換能器的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理

超聲波流量計(jì)檢測(cè)方法主要有：時(shí)差法、多普勒效應(yīng)法、相關(guān)法、噪聲法、波束偏移法等，時(shí)差法超聲波流量是依靠在超聲波信號(hào)傳播到介質(zhì)當(dāng)中后，在流動(dòng)的介質(zhì)里會(huì)帶有介質(zhì)流速信息，依靠超聲波接收傳感器把帶有流速信息的超聲波回波信號(hào)接收到電路板中，進(jìn)行一系列的信號(hào)處理之后就會(huì)得到被測(cè)介質(zhì)的流速或者流量。

（1）時(shí)差法超聲波流量計(jì)的工作原理

時(shí)差法計(jì)量的關(guān)鍵是要能夠獲得高精度的時(shí)間測(cè)量參數(shù)，近幾年來，隨著高速時(shí)間計(jì)數(shù)處理芯片不斷出現(xiàn)，使得幾十皮秒的測(cè)量精度變得可能，這對(duì)于時(shí)差法用于小口徑超聲波流量計(jì)提供了計(jì)量保證。圖1是時(shí)差法超聲波流量測(cè)量法的基本原理圖。

圖1 超聲波流量測(cè)量原理

兩個(gè)超聲波探頭A和B既可以發(fā)射又可以接收，當(dāng)探頭A發(fā)射，B接收時(shí)，超聲波就在流體中順流傳播，其速度就要加快，測(cè)量出順流時(shí)間；反之逆流傳播時(shí)超聲波的速度就會(huì)減慢。

時(shí)差法中順流傳播時(shí)間t₁為：

逆流傳播時(shí)間t₂為：

順逆流時(shí)間差Δt為：

可得：

其中，C為超聲波在液體中的聲速；L為兩個(gè)換能器之間的距離；V為管道中心軸方向的平均流速；θ為超聲波進(jìn)入液體的入射角；τ為超聲波在液體傳播以外的附加時(shí)間。

（2）超聲波換能器的驅(qū)動(dòng)控制

在超聲波流量測(cè)量時(shí)，首先要對(duì)換能器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，激勵(lì)換能器產(chǎn)生振蕩并發(fā)出超聲波信號(hào)，以下是分別采用1個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖、10個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖和15個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖作為換能器的激勵(lì)源，圖2是1個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)，接收端換能器所接收到的波形。可以看出，當(dāng)一個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，所接收到的波形比較微弱，波形很不規(guī)范。圖3是10個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)，接收端換能器所接收到的波形。波形形狀得到明顯改善。圖4是15個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)，接收端換能器所接收到的波形。

圖2 1個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖接收波

圖3 10個(gè)脈沖接收波形

圖4 15個(gè)脈沖接收波形

由上面幾個(gè)圖可以看出15個(gè)脈沖時(shí)換能器器接收波形是比較規(guī)范的正弦波，幅值較大，GP2zui多能發(fā)出15個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，因此選用驅(qū)動(dòng)脈沖為15個(gè)。