基于相关法的竖管内置式超声流量测量设计

摘要 针对特定环境下，在管外壁安装探头不便的情况，设计了将探头内置在管内与流动方向平行的超声波流量测量方式和相应装置，在计算时间差时，采用相关法计算时间差，相关法本身具有一定的滤波去噪特性，提高了时间差的测量精度。系统硬件设计了超声波发射、接收及放大电路，采用高速模数转换器数字化接收信号。实验表明，电路产生的脉冲幅度高、宽度窄，能有效地激励超声换能器。波形进行采样相关处理后的计算值与实际值误差很小，提高了所求时间差的精度，从而更好的进行流量计算。
关键词 超声波流量测量；时间差；相关法；高精度

    在工业生产过程中，流量测量是应用广泛的测量物理量。在特殊情况下，如竖直油井等不易管道外置安装探头时，需要设计一种仪器设备对管内安装进行测试流量。在实际情况中，由于探头内置在被测液体中，发射接收的波形会受干扰，所以本设计主要针对采用相关法原理设计的超声波流量计对液体流量进行测量。在测量系统中流动噪声可利用传感器检测，而相关法测量延时的特点是抵御噪声的能力强，只要干扰噪声与接收信号不相关，测量结果就不受干扰噪声的影响，采用两组探头，把发射信号和接收的信号做相关运算处理，得出较好的波形。

1 测量原理
    当超声波在液体中传播时，与液体流动方向相同或相反时，超声波传输时间不同。在本次设计中，将采用探头相对并且浸在被测液体中，整体的检测部分在管内进行。设计如图1所示若在固定长度L的距离内，分别放置两组超声波发送器S1、S2和接收器R1、R2，则对于顺流和逆流有。

   
    式(1)和式(2)中，C为超声波在静止流体内的传播速度；V为流体流动的速度；T1为顺流传播所需要的时间；T2为逆流传播所需要的时间。
    由式(1)变形得
   
    由发射信号和接收信号做相关，可以测得传输时间。相关法主要是指两路信号之间的相似性，其中一路信号较另一路信号有一个时间上的延迟。对两路信号的互相关函数进行计算，并计算出对应于最相似时所对应的时间，即互相关函数的峰值点所对应的间，即为渡越时间τ。
超声波换能器发出一个信号x(t)，超声波换能器收到一个信号y(t)，理论上信号y(t)是信号x(t)的一个延时信号，两个信号的波形相似，只是在时间轴上有时间间隔△t=t2-t1的两组信号，由相关理论计算出这两个信号的相关函数Rxy(τ)，表达式为
   
    式(7)中T为测量时间；τ为延迟时间。
    由发射信号和接收信号做相关，可以测得传输时间。超声波换能器发出一个调制信号x(t)，超声波换能器收到一个信号y(t)，理论上信号y(t)是信号x(t)的一个延时信号，两个信号的波形相似，只是在时间轴上有时间间隔△t=t2-t1的两组信号。波形图如2所示。

    当延时τ≠△t时，Rxy(τ)值很小；当τ=△t时，两信号重合，Rxy(τ)达到最大值，波形图如3所示。
    相关函数从时域上描述了两个信号在不同时刻的相互依赖关系，其峰值对应了两个信号最相似的时刻。计算x(t)和y(t)的相关函数，就是在不同延时值下比较两个波形的相似程度，得到相关函数Rxy(τ)的图形，图形峰值位置所对应的时间就是两波形的延时时间△t。

2 硬件设计
2．1 系统硬件的整体结构
    系统由FPGA、发射电路、切换电路、接收放大电路、滤波电路、采样单元电路等几部分构成。超声波换能器A、B在FPGA的控制下，轮流工作在发射与接收状态。接收信号经过接收放大、选频放大滤除了部分干扰信号，再送往采样单元，整个过程的时序控制都由FPGA实现。通过对发射和接收的波形采样后做相关，便得出流体顺流和逆流的时间差，从而求出流体的流速。

2．2 发射电路
    发射电路如图5所示采用电感储能方式产生高压脉冲来驱动超声波探头，驱动信号由FPGA发出，发出信号经过6N137进行电气隔离，信号进入TPS2811。TPS2811是高速MOSFET驱动器。输出端接在场效应管的栅极，控制场效应管的开关。场效应管漏极接连一个电感，电感一端连在直流电源。场效应管源极接一个电阻接地。
    工作时，TPS2811输出高低电平，当输出为高时，场效应管导通，漏极与源极之间导通电阻较低，近似短路，电源对电感储能，当TPS28 11输出为低电平时，场效应管截止，漏极与源极间电阻较大，视为断开，电感对超声波探头产生高压脉冲，驱动超声波探头。当高电平时间长，场效应管导通时间长，电感储能就多，发射电压就高，反之就低。探头驱动脉冲图如图6所示。

2．3 探头切换电路
    探头实现收发的切换，切换电路由CD4052实现，通过控制器的I／O口给CD4052信号实现通道选择，使探头之间进行收发互换，进行顺逆流速的测量。电路图如图7所示。

2．4 接收放大电路
    超声波探头接收到的信号基本是毫伏级，要经过A／D采集，需要进行放大。超声波探头阻抗高，接收放大电路需要高的输入阻抗与之相匹配。放大器选择高输入阻抗的放大器，放大倍数要考虑到放大器的带宽和放大的电压。电路图如图8所示。

2．5 滤波电路
    设计采用由通用运算放大器和RC阻容网络构成的有源带通滤波器，电路图和参数如图9所示。

3 系统流程
    系统由FPGA控制，初始化程序，系统开始，FPGA给出驱动信号，驱动探头发射波形，实现顺流发射波形，探头在另一端接收波形，波形经过放大滤波后进行采样，并把发射端波形引入到接收端，同样进行接收放大滤波采样，采样后存到寄存器里，当采样到一定波形后，通过FPGA控制CD4052进行收发切换，切换收发方向，实现逆流发射，同上对发射和接收的波形进行放大滤波采样。采样后的波形在住相关处理，计算顺逆流传播时间，进而计算流速流量。系统流程如图10所示。

4 实验结果
    图11为接收的波形，通道1为发射端信号波形，通道2为接收端信号，图中可以看到接收端和发射端信号波形相似，2和1之间有一定时间延时。

    测量两组信号的时间差时，对两组信号用高速A／D同时采样，把模拟量转化为两组数字量，对两组信号作相关运算，图12为采样后的波形，图12(a)发射端接收信号波形，图12(b)为接收端接收到的信号，图12(c)为图12(a)和图12(b)两组信号波形做相关运算后得波形。

    发射信号频率为40 kHz，周期为25μs，4个周期为100μs，采样点数为10 000个点。实验中设定接收端信号波形与发射端的时间差如表1所示，但理想与实际采样后的时间差有一定误差，相关后的计算结果也会有一定误差，表1中给出了11组时间差的理想、实际采样和相关计算后的时间差，并计算出相应误差。

5 结束语
    实验装置实现了探头内置与被测液体流动方向平行的测量方案，发射电路设计了利用低压直流来发射高压直流脉冲驱动探头，完成了探头按要求发射接收切换，各部分相应的硬件电路满足设计要求。实验数据可以看出相关法的计算结果误差率在5％以内，时关法本身的特性可以在计算过程中有去除接收放大滤波和采样的过程中得一些干扰，所以应用相关法在测量时间差方面有提高精度的能力。