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)復雜性之間表現(xiàn)出更好的折衷。
5.抖動減少技術(shù)
由于以50MS / s的采樣率對接收波形的記錄數(shù)據(jù)進行采樣，因此穩(wěn)態(tài)區(qū)域中的每個周期包含大約13個采樣點。正弦擬合方法將等式（12）調(diào)整為記錄的采樣數(shù)據(jù)集，以便提取跡線的特征參數(shù)，即幅度，相位和頻率。
X（N）= ASIN（2πft ? +φ） （12）
其中A和φ分別是信號的幅度和相位，f是驅(qū)動頻率，t n是離散時間矢量。
下面的等式，從等式（11）獲得的，被用于計算從TTD的上游和下游提取階段（φ 向上，φ 向下）：
TTD = φ向上- φ下2 π ?F
（13）
確定TTD的精度可受兩個參數(shù)的影響：接收信號的幅度和擬合算法中使用的樣本數(shù)。關于第一參數(shù)，在穩(wěn)態(tài)區(qū)域中抖動水平與接收信號的幅度之間存在明確的相關性。換句話說，獲得的TTD具有取決于ADC的輸入動態(tài)范圍的抖動。這通過調(diào)整兩個放大器的增益進行優(yōu)化，旨在覆蓋ADC的大部分輸入范圍。ADC動態(tài)范圍，即最大電壓V FRS與最小電壓V LSB的比率，可以表示為位數(shù)或分辨率。
?位= log （VFSRVLSB）記錄2
（14）
顯示了抖動測量精度（由標準偏差表示）與ADC使用位數(shù)的關系。標準偏差由50個捕獲的超聲波形的TTD計算。測量在室溫下在無流動條件下進行，并且N = 250個擬合樣品。
如前所述，通過增加用于調(diào)整正弦擬合參數(shù)的信號樣本的數(shù)量，也可以減少抖動。由于每個采樣序列中存在的噪聲是不相關的，因此給定數(shù)量的采樣N將時序抖動值降低了一倍?√（根據(jù)平均原則）描繪了對于不同數(shù)量的擬合樣品在室溫和無流動條件下進行的單個TTD測量。示出了測量的TTD標準偏差（STD）與擬合樣本的數(shù)量，以及使用等式（15）估計的理論極限?；谶@些結(jié)果，可以推斷出測量的抖動表現(xiàn)出與計算的抖動相同的行為。換句話說，隨著樣本數(shù)量的增加，根據(jù)等式（15），測量的TTD的標準偏差減小。
σX“= σ?√
（15）
6.零流量TTD偏移校正
如前所述，為了消除儀表在無流量條件下檢測到錯誤流量的可能性，上游和下游的運輸時間應該理想地相同，但除非采取特殊的預防措施，否則情況可能并非如此。由于每個流動方向與另一個流動方向的電阻抗略有不同，這導致上游和下游信號路徑之間的不對稱（根據(jù)電子設備的電阻抗和儀表中使用的傳感器）[ 15]并且在兩個上游和下游傳輸信號中引起不同的幅度。表示在室溫和無流動條件下進行的測量結(jié)果。兩個換能器在4 MHz強制頻率下以相同的正弦脈沖激發(fā)。所示的250 mV發(fā)射機幅度差異導致大約150 ps的零流量TTD偏移。
不管換能器的不匹配的，與所述操作溫度范圍[諧振頻率的變化6，16，17，18 ]，可能造成超聲信號路徑的兩個方向之間的不對稱。因此，介質(zhì)的溫度變化是零流量TTD偏移漂移的主要原因。
為了在無流量條件下有效地消除TTD偏移，需要兩個換能器及其相關電子的上游和下游電阻抗之間的匹配以達到高度對稱的信號路徑。根據(jù)文獻[ 19 ]，換能器的電阻抗可以通過強制頻率來控制。我們已經(jīng)使用此功能來消除兩個方向之間的電阻抗失配，因為匹配良好的上游下游信號路徑會降低發(fā)射機幅度差異，并導致非常小的零流量TTD偏移。
通過將正弦脈沖串頻率從4 MHz更改為4.19 MHz，先前測量的150 ps零流量TTD偏移量將大幅降低至小于5 ps。
總之，選擇正確的強制頻率可以大大減少零偏移誤差。為了實現(xiàn)自動補償，需要精確設置強制頻率以消除管道內(nèi)溫度變化引起的偏移。為了確保用于補償零流量偏移的驅(qū)動頻率的可重復性或精度，已經(jīng)在四個隨機選擇的不同溫度（35°C，60°C，70°C和80°）下進行了幾項實驗測量C）。我們已經(jīng)表明，在所需的激勵強制頻率和溫度之間存在清晰，簡單，穩(wěn)定和可靠的關系。
接上篇文章。