一種具有極低抖動(dòng)和偏移的超聲波流量計(jì)量增強(qiáng)技術(shù)（4）
時(shí)間：2019-05-13
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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(guò)測(cè)量超聲波在上游和下游方向上的傳播時(shí)間來(lái)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(cè)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(guò)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(guò)使用最小二乘正弦擬合技術(shù)來(lái)間接地測(cè)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(cè)量精度。獲得的測(cè)量結(jié)果說(shuō)明了所提方法的穩(wěn)健性，因?yàn)槲覀冊(cè)跓o(wú)流量條件下測(cè)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(cè)流量。所提出的方法在測(cè)量精度和系統(tǒng)復(fù)雜性之間表現(xiàn)出更好的折衷。
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(guò)測(cè)量超聲波在上游和下游方向上的傳播時(shí)間來(lái)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(cè)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(guò)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(guò)使用最小二乘正弦擬合技術(shù)來(lái)間接地測(cè)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(cè)量精度。獲得的測(cè)量結(jié)果說(shuō)明了所提方法的穩(wěn)健性，因?yàn)槲覀冊(cè)跓o(wú)流量條件下測(cè)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(cè)流量。所提出的方法在測(cè)量精度和系統(tǒng)復(fù)雜性之間表現(xiàn)出更好的折衷。
7. TTD測(cè)量結(jié)果和分析
實(shí)驗(yàn)中使用的測(cè)量流量計(jì)管是瑞典超聲波技術(shù)公司提供的D-Flow管，長(zhǎng)度L = 42.2mm，內(nèi)徑為8mm。壓電式傳感器由聚醚醚酮（PEEK）制成。
基于從兩個(gè)接收信號(hào)的穩(wěn)態(tài)區(qū)域的最后20個(gè)周期取得的250個(gè)樣本來(lái)評(píng)估TTD值。對(duì)于每個(gè)測(cè)量設(shè)置，TTD被計(jì)算若干次，重復(fù)率約為1.6s。為了將操作溫度模擬在25°C至80°C左右，將流量計(jì)管道放入水浴中，使用恒溫器調(diào)節(jié)傳感器周?chē)臏囟取？梢哉J(rèn)為換能器的溫度與填充在管道內(nèi)的靜水相同。圖13圖示了在80℃固定溫度下獲得的TTD測(cè)量結(jié)果?；谠摻Y(jié)果，測(cè)量的抖動(dòng)在4ps的范圍內(nèi)（作為標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)估）。相對(duì)于80°C，通過(guò)將激勵(lì)突發(fā)的強(qiáng)制頻率調(diào)整到4.075 MHz來(lái)達(dá)到零流量TTD偏移調(diào)整。
提供了使用相對(duì)于介質(zhì)溫度的適當(dāng)強(qiáng)制頻率的零流量TTD偏移校準(zhǔn)的結(jié)果。以下結(jié)果顯示，在35°C至80°C的溫度范圍內(nèi)，TTD偏移減小至幾乎為零。這是通過(guò)使用正確的強(qiáng)制頻率優(yōu)化上游和下游信號(hào)路徑的阻抗匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
8.結(jié)論
在整個(gè)工作中建立的假設(shè)是所提出的抖動(dòng)和零流量TTD減少方法大大提高了測(cè)量性能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以推斷，通過(guò)使用正弦擬合技術(shù)可以大大降低抖動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。此外，通過(guò)探索兩種技術(shù)，即使用低噪聲放大器來(lái)改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍和在特定時(shí)間間隔（穩(wěn)態(tài)區(qū)域）中的足夠數(shù)量的樣本，進(jìn)一步執(zhí)行系統(tǒng)精度。此外，目前的工作提出了一種新的改進(jìn)方法，以消除零流量TTD偏移和TTD偏移漂移。