本文提出了一種新的改進的水流計量方法。它適用于運輸時間超聲波流量計裝置。原則上，通過測量超聲波在上游和下游方向上的傳播時間來獲得管道中給定液體的流動。理論上，這些時間之間的差異與液體流速成線性比例。然而，流動越小，傳輸時間差（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間差時引起許多技術(shù)困難。所提出的方法依賴于通過計算上游和下游方向上的接收信號的穩(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，因為我們在無流量條件下測量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。
3.系統(tǒng)描述
實驗中使用的系統(tǒng)的操作原理。為了使接收換能器達到穩(wěn)定狀態(tài)，振幅和頻率都得到穩(wěn)定，功能波形發(fā)生器Hameg HMF 2550在100 ms的時間周期內(nèi)產(chǎn)生70個周期的正弦脈沖串的驅(qū)動頻率，使得換能器以增強的SNR實現(xiàn)最大輸出振動。
TTD可以從上游和下游方向上的接收信號的穩(wěn)態(tài)部分之間的相位差推導(dǎo)出，其中可以使用Matlab的最小二乘正弦擬合算法來執(zhí)行兩個相位的估計。
φ 向上 =2πft 向上
（9）
φ 向下 =2πft 向下
（10）
其中，φ 向上和φ 向下是穩(wěn)態(tài)區(qū)（期間測量的相移。圖3分別在上游和下游方向）。在穩(wěn)態(tài)區(qū)域中，接收信號頻率f與強制頻率（激勵信號的驅(qū)動頻率）匹配。因此，TTD可以從中計算出來
φ 向上 - φ 向下 =2πF（噸向上 -噸向下）
（11）
為了消除由于分別（順序地）在兩個方向上觸發(fā)和記錄超聲信號而引起的高啟動抖動，我們依賴于同時（同步）激勵方法。這意味著數(shù)字示波器的公共同步時鐘用于觸發(fā)和采集兩個方向的信號。因此，我們?nèi)∠藘蓚€輸入通道之間的任何差分延遲時間。
在與換能器之間的距離成比例的行進時間之后，兩個換能器同時接收聲波。接收信號由于介質(zhì)的損耗和吸收聲能而衰減。因此，我們使用兩個低噪聲運算放大器以增加信號電平，從而提高信噪比。放大的信號由數(shù)字示波器采集，數(shù)字示波器使用雙通道，14位ADC，采樣率為50 MS / s。樣本以CSV數(shù)據(jù)格式保存并導(dǎo)入PC以計算TTD。用Matlab編寫的嵌入式（PC）軟件算法處理自動TTD測量重復(fù)，提供所有控制子程序，用于控制函數(shù)發(fā)生器和數(shù)字示波器。
4.抖動對TTD的影響
抖動是測量的TTD在平均值附近的分散（無流量為零）。通常，它指的是波形樣本的時間位置中的隨機誤差。后者在幅度值中引入相應(yīng)的誤差。抖動可以定義為給定信號的采樣時刻與其理想的時間位置（x軸）的偏差，該時間（x軸）成比例地影響y軸（信號的幅度）。關(guān)于我們的應(yīng)用，對于周期T和峰峰值幅度Vpp的假定正弦波（穩(wěn)態(tài)超聲波波形），接近t = 0的采樣時間抖動Δt將導(dǎo)致測量值的變化相等ΔV=VppπΔt/ T [ 13 ]。
通常，換能器由頻率為4MHz的70個周期的正弦脈沖串激勵。報告實驗結(jié)果顯示了發(fā)射信號的最后19個周期彼此疊加的眼圖。穩(wěn)態(tài)區(qū)域中T的平均值為250μs，而周期間抖動噪聲約為200 ps（峰峰值）。該偏差導(dǎo)致幅度波動約7mV。
這種抖動可以通過換能器結(jié)構(gòu)由小晶?；蚓Я＝M成的事實來解釋[ 14 ]。當(dāng)后者通過有限數(shù)量的循環(huán)的外部脈沖周??期性地激發(fā)時，在這些小晶體之間存在剩余的不規(guī)則應(yīng)力，這預(yù)期在換能器的下一次振蕩期間發(fā)生。此外，信號采集路徑包含許多額外的抖動源，例如采樣時間中的抖動可能由于不完美的保持電路同步，ADC的量化誤差以及電纜之間的串?dāng)_而發(fā)生。
更多內(nèi)容見下篇。
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