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