本文提出了一種新的改進(jìn)的水流計(jì)量方法。它適用于運(yùn)輸時(shí)間超聲波流量計(jì)裝置。原則上，通過測量超聲波在上游和下游方向上的傳播時(shí)間來獲得管道中給定液體的流動(dòng)。理論上，這些時(shí)間之間的差異與液體流速成線性比例。然而，流動(dòng)越小，傳輸時(shí)間差（TTD）越小。該差異可以低至幾皮秒，這在以給定精度測量這種小時(shí)間差時(shí)引起許多技術(shù)困難。所提出的方法依賴于通過計(jì)算上游和下游方向上的接收信號(hào)的穩(wěn)態(tài)部分之間的相位差并且通過使用最小二乘正弦擬合技術(shù)來間接地測量TTD。這降低了抖動(dòng)噪聲和偏移的影響，這限制了在非常低的流速下的測量精度。獲得的測量結(jié)果說明了所提方法的穩(wěn)健性，因?yàn)槲覀冊跓o流量條件下測量TTD，在室溫的溫度范圍內(nèi)，峰 - 峰精度低至10 ps，TTD偏移為零到80°C。與以前的技術(shù)相比，這使我們能夠達(dá)到更小的最小可檢測流量。所提出的方法在測量精度和系統(tǒng)復(fù)雜性之間表現(xiàn)出更好的折衷。
1.簡介
水流量測量在國內(nèi)經(jīng)濟(jì)部門中通常至關(guān)重要[ 1]。因此，在任何情況下都必須準(zhǔn)確地測量通過管道的流量，以便獲利而不是虧損。幾十年來，超聲波流量計(jì)已成功應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用。他們在廣泛的計(jì)量應(yīng)用中獲得了認(rèn)可，例如臟水或清潔水，石化產(chǎn)品和天然氣。這是由于超聲波流量計(jì)與傳統(tǒng)儀表相比具有顯著的操作和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。在經(jīng)濟(jì)上，它們易于安裝，價(jià)格低廉，并且需要比其他儀表（例如需要定期檢查的機(jī)械流量計(jì)）更少的維護(hù)。操作上超聲波流量計(jì)可以高度靈敏和準(zhǔn)確，它們通常具有更寬的流速范圍，良好的測量可重復(fù)性。
在這項(xiàng)工作中考慮的傳輸時(shí)間超聲波流量計(jì)的基本幾何結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)同軸安裝的傳感器，
換能器被已知距離L隔開并且彼此面對(duì)，使得可以從任一個(gè)發(fā)送超聲信號(hào)并且由另一個(gè)檢測到它的到達(dá)。當(dāng)壓電晶體受到交流電壓時(shí)，該信號(hào)由壓電晶體產(chǎn)生; 相反，當(dāng)超聲波信號(hào)撞擊換能器時(shí)，壓電晶體產(chǎn)生電壓。超聲波信號(hào)可以在流動(dòng)方向（下游方向）和流動(dòng)方向（上游方向）上穿過管道。它在流動(dòng)方向上移動(dòng)得更快，在流動(dòng)方向上移動(dòng)得更慢。兩個(gè)傳輸時(shí)間之間的差異與流速成正比。這可以在數(shù)學(xué)上表達(dá)如下（更多細(xì)節(jié)見第2節(jié)）：
其中Δt是上游和下游行進(jìn)時(shí)間t up和t down之間的差值，L是超聲波行進(jìn)路徑的有效長度，c是給定聲音的傳播速度液體（我們的應(yīng)用中的水）。
當(dāng)測量管（靜止水）中沒有流動(dòng)時(shí)，這些儀表的上游和下游運(yùn)輸時(shí)間是相同的，兩個(gè)運(yùn)輸時(shí)間之間的差異應(yīng)該可以忽略不計(jì)。這可能不是這種情況，因?yàn)閭鬏敃r(shí)間可能受到抖動(dòng)和偏移的影響。因此，上游和下游傳輸時(shí)間之間的任何延遲偏移都直接轉(zhuǎn)換為零流量誤差。該零流量偏移限制了低流速下的測量精度。該誤差越小，流量計(jì)就越準(zhǔn)確。
在文獻(xiàn)中已經(jīng)提出了幾種方法來精確地檢測超聲波流量計(jì)的渡越時(shí)間差（TTD）。過零方法是常用的，包括檢測上行和下行方向上接收信號(hào)的過零點(diǎn)。將這些過零點(diǎn)與上游和下游方向上的發(fā)送信號(hào)的相應(yīng)過零點(diǎn)進(jìn)行比較，并將該差值作為傳輸時(shí)間?；谶@種方法，報(bào)告在無流量條件下測得的峰值抖動(dòng)為80 ps，TTD偏移漂移約為25 ps。
據(jù)報(bào)道在無流量條件下測得的峰 - 峰抖動(dòng)約為200 ps，TTD偏移漂移為-185.3 ps。他們的方法包括以超出其共振頻率的特定頻率驅(qū)動(dòng)兩個(gè)換能器，以消除共振頻率的溫度依賴性的影響。然而，該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是由于在換能器的共振頻率之外工作而導(dǎo)致的信噪比（SNR）的降低。
如前所述，超聲波傳輸時(shí)間流量計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)是測量皮秒范圍內(nèi)的TTD。在我們的方法中，這是通過從上游和下游接收信號(hào)之間的正弦波激勵(lì)的相位差推導(dǎo)出TTD來實(shí)現(xiàn)的。使用最小二乘正弦擬合（LSSF）方法估算相位差，這是一種非常精確的方法，用于估計(jì)表征數(shù)字化正弦信號(hào)的所有參數(shù)（幅度，相位和頻率），在明確定義的情況下采樣采樣率[ 7，8 ]。
本文提出了一種基于超聲波裝置精確測量水流量的新方法。我們首先描述用于計(jì)算TTD的方法。然后，我們研究了抖動(dòng)噪聲對(duì)測量精度的影響，以及如何使用所提出的方法減少抖動(dòng)和TTD偏移漂移。我們分析獲得的測量結(jié)果并將其與理論背景進(jìn)行比較。
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2.運(yùn)輸時(shí)間流量計(jì)原理
在稱為渡越時(shí)間的時(shí)間間隔期間，超聲波信號(hào)在流動(dòng)方向（下游方向）和流動(dòng)（上游方向）上穿過管道，以便被相對(duì)的換能器接收。假設(shè)v是在管的流速，上游和下游傳播時(shí)間t 向上和叔向下由下式給出[ 9，10 ]
?向上= L.c - v
更多內(nèi)容見下篇。
（2）
?下= L.c + v
（3）
從而，
TTD = Δ 噸= 噸向上- t下= 2 vLC2- v2
（4）
假設(shè)v 2 «c 2（流速v遠(yuǎn)小于聲速c），
Δ 噸= 噸向上- t下= 2 vLC2
（5）
因此，
v ≈ Ç 2Δ ?2 升
（6）
當(dāng)管道中沒有流動(dòng)時(shí)，
?向上= t下= t0= L.C
（7）
在無流量條件下測量的Δt與行進(jìn)時(shí)間t 0的比值由下式給出
Δ ??0= 2 vC
（8）
等式（8）可用于計(jì)算所需的測量精度。例如，對(duì)于給定的每小時(shí)2升（2升/小時(shí)）的流速和0.8厘米的管道直徑計(jì)算的最小流速v min約為v min = 10 mm / s。因此，根據(jù)等式（5），該最小流速10mm / s產(chǎn)生約Δt= 380ps的TTD值，條件是所用流量計(jì)管的行進(jìn)時(shí)間為28μs（對(duì)于L = 42.2mm計(jì)算）使用等式（7））。因此，為了達(dá)到5％的精度，所需的超聲波流量計(jì)必須能夠精確地測量至少20ps的最小傳輸時(shí)間差值。
更多內(nèi)容見下篇。