傳播時(shí)間法超聲波流量計(jì)測(cè)量近五十年的發(fā)展情況，主要從信號(hào)處理的角度,回顧了傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)近五十年來(lái)的技術(shù)進(jìn)展,分別評(píng)述了時(shí)差法、相差法和頻差法中經(jīng)典的檢測(cè)技術(shù),重點(diǎn)介紹了近年出現(xiàn)的一些新穎測(cè)量方法。這些新方法既有基于*微電子工藝的測(cè)時(shí),也有從雷達(dá)系統(tǒng)借鑒而來(lái)的脈沖壓縮技術(shù),還有利用時(shí)相域分析的信號(hào)處理方法等。*后預(yù)測(cè)了超聲流量計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)。
超聲流量計(jì)近幾十年的迅速興起在于其相對(duì)傳統(tǒng)流量計(jì)(如孔板、渦輪等)有以下優(yōu)點(diǎn):非接觸式測(cè)量;無(wú)可動(dòng)部件,維護(hù)方便;適于大管徑測(cè)量。超聲流量測(cè)量現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)和民用等多個(gè)領(lǐng)域,與此相關(guān)的研究也逐年增加。國(guó)外每隔一段時(shí)間就會(huì)出現(xiàn)一些綜述[2~5],評(píng)述其時(shí)超聲流量測(cè)量的技術(shù)進(jìn)展,國(guó)內(nèi)雖有不少文獻(xiàn)介紹超聲流量測(cè)量原理及應(yīng)用,但有關(guān)信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)展的文獻(xiàn)相對(duì)較少。
傳播時(shí)間法是當(dāng)前超聲流量計(jì)中應(yīng)用*廣泛、精度*高的一種方法,其原理如圖1。聲信號(hào)沿順、逆流方向的傳播時(shí)間差在馬赫數(shù)(V/C)遠(yuǎn)小于1的情況下,與流速呈線性關(guān)系,此時(shí)間差可直接計(jì)量,也可轉(zhuǎn)換為相角差或頻差,相應(yīng)的測(cè)量原理分別稱(chēng)為時(shí)差法、相差法和頻差法。
影響超聲流量測(cè)量精度的因素很多[6,7],本文就信號(hào)收發(fā)處理技術(shù)方面,回顧并討論了上述三種測(cè)量原理近五十多年的進(jìn)展,并以此預(yù)測(cè)超聲流量計(jì)發(fā)展趨勢(shì)。
2 時(shí)差法
時(shí)差法直接計(jì)量超聲信號(hào)順、逆流方向的傳播時(shí)間及時(shí)差,從而得到流速,其計(jì)算式如下:
如圖1(a),設(shè)*以45°角Z形安裝,管徑為150mm,介質(zhì)為空氣,流速為0. 1m/s,聲速為340m/s,則可計(jì)算得順流傳播時(shí)間623.788 0μs,逆流傳播時(shí)間624.047 5μs,時(shí)差259.5 ns。若聲速更高(如介質(zhì)為液體)或流速更低,則時(shí)差為幾十甚至幾個(gè)納秒?？梢?jiàn),時(shí)差法本質(zhì)是求兩個(gè)數(shù)量級(jí)相對(duì)較大而數(shù)值相近的時(shí)間量之微差,若用脈沖計(jì)數(shù)測(cè)量,需用高分辨率的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘。分辨率和精度是兩個(gè)既聯(lián)系又區(qū)別的概念,高分辨率是高精度測(cè)時(shí)的必要條件,另一必要條件則是**的啟停時(shí)刻定位。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步,高精度計(jì)時(shí)的電子器件有很大發(fā)展,啟停時(shí)刻定位更為重要。超聲流量測(cè)量中,發(fā)射信號(hào)一般是信噪較高的規(guī)則波形(正弦或方波等),計(jì)時(shí)啟動(dòng)時(shí)刻易確定。而接收時(shí),由于*的諧振特性及信道的噪聲干擾,信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的定位是比較困難的,也是領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期研究的一個(gè)課題。
2.1 門(mén)限電平法
門(mén)限電平法是一種確定信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的檢測(cè)方法,后面介紹的頻差測(cè)量原理中也常用門(mén)限法接收信號(hào)。如圖2所示,門(mén)限電平原理可概括為“前沿觸發(fā)定時(shí)”,即預(yù)先設(shè)定一觸發(fā)電平,當(dāng)接收信號(hào)幅值達(dá)到此電平時(shí)觸發(fā)并檢測(cè)波形的特征點(diǎn),以此作為信號(hào)到達(dá)時(shí)刻,*后通過(guò)修正特征點(diǎn)引入的固定偏差得到傳播時(shí)間。如圖2中的特征點(diǎn)選為觸發(fā)點(diǎn)之后的**負(fù)過(guò)零點(diǎn),則需減去2個(gè)信號(hào)周期的固定偏差。傳播通道的衰減作用和噪聲干擾通常導(dǎo)致超聲信號(hào)形狀畸變,故特征點(diǎn)一般選擇那些被認(rèn)為不受波形變化影響的位置[8],如波形峰值點(diǎn)或過(guò)零點(diǎn)等。
門(mén)限法的顯著缺點(diǎn)是:由于衰減作用和流動(dòng)噪聲的干擾,當(dāng)管道中介質(zhì)流速、成分、溫度和壓力等參數(shù)變化時(shí),接收信號(hào)的幅值波動(dòng)很大,而閥值電平為一預(yù)設(shè)的固定值,容易發(fā)生誤觸發(fā)或不觸發(fā)。雖然使用自動(dòng)增益控制電路(AGC)可有效地壓縮信號(hào)幅值動(dòng)態(tài)范圍[9],減少誤觸發(fā),但仍需對(duì)門(mén)限法改進(jìn)以修正其原理上引入的系統(tǒng)誤差。
Bradshaw等[10]提出的中心能量法,不以脈沖前沿觸發(fā),而是選擇一個(gè)能量中點(diǎn),接收信號(hào)起始點(diǎn)到此中點(diǎn)的積分恰好等于該中點(diǎn)至信號(hào)結(jié)束時(shí)刻的積分。這種方法可獲得較高精度的前提是,噪聲在信號(hào)頻帶上有盡量均勻的功率譜。
積分門(mén)限觸發(fā)技術(shù)出現(xiàn)在Wallace等1985年的磚利中[11]。接收信號(hào)先經(jīng)過(guò)半波整流,其幅值達(dá)到觸發(fā)門(mén)限后,開(kāi)始對(duì)一電容充電,當(dāng)電容兩端電壓增至積分門(mén)*啟動(dòng)過(guò)零檢測(cè)。由于積分門(mén)限可設(shè)置為對(duì)小信號(hào)不敏感的值,即使接收信號(hào)起始周期達(dá)不到觸發(fā)門(mén)限而淹沒(méi)在噪聲中,也不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。此技術(shù)成功應(yīng)用于呼吸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)氣體流量測(cè)量[12],有效地減小了幅值波動(dòng)引起的誤差。
Eck[13]在接收機(jī)中引入信號(hào)“質(zhì)量”判斷機(jī)制,如果信噪比達(dá)不到預(yù)設(shè)值,則產(chǎn)生一個(gè)標(biāo)記信號(hào),系統(tǒng)據(jù)此標(biāo)記不處理或用其它方法處理本次接收信號(hào)以避免誤觸發(fā)或不觸發(fā),其信號(hào)質(zhì)量判斷環(huán)節(jié)由比較器和觸發(fā)器等構(gòu)成。這種思想一直延續(xù)至今,發(fā)展成為多決策標(biāo)準(zhǔn)和多處理技術(shù)的系統(tǒng)。如Koba-yashi等[14]就以信噪比、峰值變化率、順逆流峰值比等指標(biāo)作為決策標(biāo)準(zhǔn),滿足指標(biāo)的信號(hào)繼續(xù)處理,否則丟棄;又如文獻(xiàn)[15]研制的超聲流量計(jì)中引入一“糾錯(cuò)脈沖發(fā)生器”,當(dāng)接收信號(hào)幅值波動(dòng)使得觸發(fā)位置超前或滯后一個(gè)超聲波周期時(shí),會(huì)產(chǎn)生不同數(shù) 目的脈沖作為區(qū)分“標(biāo)記”,處理器根據(jù)這個(gè)標(biāo)記對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)修正;再如2006年一項(xiàng)磚利[16]中描述的測(cè)量系統(tǒng)在信噪比較高時(shí)用相關(guān)法,較低時(shí)用積分門(mén)限觸發(fā)技術(shù)。豐富的先驗(yàn)知識(shí)是準(zhǔn)確選擇信號(hào)質(zhì)量指標(biāo)的關(guān)鍵, Suginouchi等[17]設(shè)計(jì)了一種基于接收信號(hào)幅值與傳播時(shí)間關(guān)系之先驗(yàn)知識(shí)的過(guò)零檢測(cè)器,以修正測(cè)得的傳播時(shí)間。隨著對(duì)超聲流量測(cè)量機(jī)理的深入研究,對(duì)信號(hào)質(zhì)量判斷指標(biāo)的選擇將更加科學(xué)合理。
2.2 時(shí)間測(cè)量
脈沖計(jì)數(shù)是超聲流量計(jì)中常用的時(shí)間測(cè)量技術(shù),其測(cè)時(shí)分辨率為一個(gè)時(shí)鐘源周期,但超聲信號(hào)傳播時(shí)間不一定是時(shí)鐘源周期的整數(shù)倍,因此會(huì)引入計(jì)數(shù)量化誤差。高分辨率測(cè)時(shí)不能僅靠標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源頻率的提高。因?yàn)?①穩(wěn)定性優(yōu)良的高頻時(shí)鐘源不易獲得;②與之匹配的高速電子器件也是一個(gè)難題。Bowman等[18]在1977年設(shè)計(jì)了一種類(lèi)似于千分尺微差測(cè)量原理的測(cè)時(shí)系統(tǒng),以兩個(gè)穩(wěn)定而相近的標(biāo)準(zhǔn)頻率之差作為*小分辨基準(zhǔn),測(cè)時(shí)分辨率達(dá)50 ps,這就提供了一種利用不太高的時(shí)鐘頻率獲得高分辨率測(cè)時(shí)的方法。其后,Chande等[19]將此技術(shù)做了一定改進(jìn)并應(yīng)用于超聲流量測(cè)量,使用的兩個(gè)基頻在100 kHz左右,獲得了1.4μs的分辨率,在其實(shí)驗(yàn)條件下,空氣介質(zhì)的*低可測(cè)流速為0.116m/s。文獻(xiàn)[20]使用的兩個(gè)基頻分別為10 kHz和10.1 kHz,*小分辨率可達(dá)1μs。
另一時(shí)間測(cè)量方法[21]出現(xiàn)在數(shù)字電路逐漸代替模擬電路成為主流的時(shí)期,屬于一種過(guò)渡技術(shù),采用模數(shù)混合電路:傳播時(shí)差主部,即整數(shù)倍時(shí)鐘源周期的部分仍使用脈沖計(jì)數(shù)方式測(cè)量,而殘部,即分?jǐn)?shù)倍時(shí)鐘周期的部分則用一恒電流模擬積分器測(cè)量。近年來(lái),微電子技術(shù)和工藝迅速進(jìn)步,出現(xiàn)了許多高速芯片和新的時(shí)間測(cè)量技術(shù)。射極耦合邏輯門(mén)(ECL)中的BJT(三極管)與TTL邏輯電路中的不同,工作在非飽和狀態(tài),因此具有很快的速度,平均傳輸延遲時(shí)間可在2 ns以下。文獻(xiàn)[22]在呼吸流量超聲檢測(cè)系統(tǒng)中使用的MC10E137就是一種高速ECL工藝的8位計(jì)數(shù)芯片,其計(jì)數(shù)頻率可達(dá)1. 8~2.2GHz,缺點(diǎn)是功耗較大,并需配置ECL電平轉(zhuǎn)其它電平的轉(zhuǎn)換器。另一種較新的時(shí)間測(cè)量方法稱(chēng)為數(shù)字延遲線技術(shù)(DL),由Rahkonen等[23]于1993年提出,其原理如圖3所示:在延遲線中,每?jī)蓚€(gè)基本的CMOS反向門(mén)組成一個(gè)延遲單元,制造工藝保證每個(gè)延遲單元具有固定且相同的延時(shí)。起始脈沖沿延遲線傳播,當(dāng)終止脈沖來(lái)到時(shí),經(jīng)過(guò)若干延時(shí)單元到達(dá)相應(yīng)抽頭處的起始脈沖信號(hào)被記錄入寄存器,由此可測(cè)得時(shí)間。在當(dāng)時(shí)的工藝水平下,分辨率可達(dá)0.1~10 ns。而據(jù)文獻(xiàn)[24]介紹的基于DL技術(shù)的高精度時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊TDC-GPII,在500 ns~4ms的測(cè)量范圍內(nèi),其*小分辨率可達(dá)50 ps,用于超聲流量計(jì)時(shí),測(cè)量結(jié)果波動(dòng)不超過(guò)2 ns。
2. 3 相關(guān)法
這里所說(shuō)的傳播時(shí)間式超聲流量測(cè)量中的相關(guān)法,與基于超聲傳感器的互相關(guān)流量計(jì)不同。前者對(duì)發(fā)射和接收的確定信號(hào)作相關(guān)運(yùn)算求得互相關(guān)函數(shù),其峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)標(biāo)即為傳播延時(shí),后者則計(jì)算上下游平行安裝的兩對(duì)換能器測(cè)得的流動(dòng)噪聲間的互相關(guān)函數(shù)[25]。相關(guān)接收及延時(shí)估計(jì)源于雷達(dá)技術(shù),至今已有相當(dāng)成熟和完善的檢測(cè)估計(jì)理論,由于研究領(lǐng)域眾多,在此僅討論與超聲流量測(cè)量有關(guān)的三個(gè)主要方面:
(1)基準(zhǔn)信號(hào)。測(cè)量系統(tǒng)中,發(fā)射換能器端的超聲信號(hào)無(wú)法直接獲得,若接收信號(hào)(激勵(lì)電信號(hào)與換能器脈沖響應(yīng)的卷積)與激勵(lì)電信號(hào)直接相關(guān),換能器的頻率特性可能影響互相關(guān)函數(shù)的峰值位置。Brassier等[26]通過(guò)“回聲法”獲得已知標(biāo)準(zhǔn)延時(shí)的基準(zhǔn)信號(hào),在數(shù)字示波器上將順、逆流接收信號(hào)分別與基準(zhǔn)信號(hào)相關(guān),測(cè)得相應(yīng)的傳播時(shí)間,然后又將這兩個(gè)互相關(guān)函數(shù)作二次相關(guān)測(cè)得傳播時(shí)間差。
王銘學(xué)等[27]也采用了這種回波技術(shù)獲得基準(zhǔn)信號(hào),在相關(guān)算法效率方面作了進(jìn)一步研究,并通過(guò)DSP和CPLD等硬件實(shí)現(xiàn)。
(2)峰值搜索。相關(guān)函數(shù)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)標(biāo)為信號(hào)傳播時(shí)間,分辨率由采樣頻率決定,*壞情況是函數(shù)峰值落于兩個(gè)采樣點(diǎn)中間。選擇峰值點(diǎn)附近的幾個(gè)點(diǎn)作拋物線插值是常用的方法之一。Boucher等[28]研究表明,拋物線擬合得到的峰值是一個(gè)有偏估計(jì),期望與方差取決于延時(shí)量落于采樣點(diǎn)間的位置(落于中點(diǎn)時(shí)誤差*大);Moddemeijer[29]則建議在拋物線擬合時(shí)使用相關(guān)函數(shù)在某個(gè)域的變形,使相關(guān)函數(shù)在這個(gè)域上有類(lèi)似拋物線的形狀,以獲得偏差較小的估計(jì)值。Cabot[30]1981年提出了一種新的思想,從理論上將搜尋相關(guān)函數(shù)峰值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為其 Hilbert變化的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)問(wèn)題;其后,Holm[31]將FFTPruning算法用于Hilbert變換和插值計(jì)算,大大提高了運(yùn)算效率; Mandard等[32]在其相關(guān)法超聲流量測(cè)量系統(tǒng)中,對(duì)互相關(guān)函數(shù)峰值搜索和Hilbert變換過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)這兩種方法做了仿真研究,結(jié)果表明,在信噪比為50 dB的情況下,前者平均誤差為10-2T,而后者為8×10-4T,T為采樣周期。
(3)激勵(lì)波形。相關(guān)接收技術(shù)測(cè)得的時(shí)間參量在平穩(wěn)白噪聲背景下是一個(gè)無(wú)偏估計(jì)量,其*小均方差存在一個(gè)下界———克拉美-羅界。經(jīng)證明,傳播延時(shí)估計(jì)量的克拉美-羅界與信噪比及信號(hào)的有效帶寬有如下關(guān)系[33]:
式(3)表明,提高信噪比,增加信號(hào)的有效帶寬,可減小時(shí)延估計(jì)量的均方差下限。然而,簡(jiǎn)單信號(hào)(如正弦波或單脈沖等)的時(shí)域持續(xù)時(shí)間(關(guān)系到信噪比)和頻域?qū)挾?關(guān)系到有效帶寬)不可能同向增加,因此獲得大的時(shí)寬帶寬積,就要采用較復(fù)雜的信號(hào)形式,如脈沖壓縮碼[33]。
早在1988年, Jacobson等[34]基于相關(guān)函數(shù)旁瓣*小的原則選擇了11位巴克碼,對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行二相編碼調(diào)制,并結(jié)合相關(guān)法測(cè)量傳播時(shí)間。隨后Mylvaganam等[35]使用線性調(diào)頻LFM信號(hào)和連續(xù)波相位差法結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)火炬尾氣的超聲流量監(jiān)測(cè),流速范圍可達(dá)0. 3 ~80m /s。Tanisawa等[36]也在超聲流量測(cè)量中使用了線性調(diào)頻激勵(lì),認(rèn)為變化的瞬時(shí)波長(zhǎng)可使聲場(chǎng)穩(wěn)定,從而減少駐波和反射波的影響。近年來(lái),復(fù)雜激勵(lì)信號(hào)在超聲測(cè)量中的應(yīng)用逐漸增多,關(guān)于其機(jī)理的研究也相繼展開(kāi)。如Nowicki等[37]對(duì)各種脈沖壓縮編碼超聲信號(hào)的聲場(chǎng)特性 用水聽(tīng)器進(jìn)行了測(cè)量,并與簡(jiǎn)單脈沖激勵(lì)相比較,發(fā)現(xiàn)脈沖壓縮與短脈沖信號(hào)聲場(chǎng)分布相似,更能有效抑制距離/時(shí)間旁瓣;隨后, Nowicki等[38]就*帶寬對(duì)編碼相關(guān)系統(tǒng)的性能影響展開(kāi)研究,結(jié)果表明,編碼帶寬在換能器帶寬以內(nèi)時(shí),相關(guān)器輸出信噪比要高于帶寬不匹配時(shí)的情況,而分辨率只有較小損失。
盡管數(shù)字相關(guān)系統(tǒng)一般要經(jīng)過(guò)“AD采樣-相關(guān)運(yùn)算-插值擬合-峰值搜索”的過(guò)程,計(jì)算量相對(duì)較大,但在現(xiàn)代DSP理論和技術(shù)水平下已不再是難題,因而相關(guān)法已廣泛應(yīng)用于超聲實(shí)時(shí)流量測(cè)量中。
3 相差法
相差法通過(guò)檢測(cè)順、逆流接收信號(hào)的相位差測(cè)流量,其流速計(jì)算式如下:
相差法系統(tǒng)中的核心器件是鑒相器,在其工作范圍內(nèi)接近線性,所以可以獲得較高的測(cè)量精度。由于一般鑒相器的動(dòng)態(tài)范圍為(-π, +π),當(dāng)順、逆流接收信號(hào)相差超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)即2π時(shí),存在相位模糊的問(wèn)題,因此相差法局限于小管徑應(yīng)用。為解決相位模糊問(wèn)題,Gutterman[39]提出了一種雙頻激勵(lì)技術(shù),其原理如圖4。在Δt 存在相位模糊,而Δt >Tm時(shí)存在相位模糊。這種 雙頻激勵(lì)的方法將不發(fā)生相位模糊的范圍,從單頻激勵(lì)系統(tǒng)的一個(gè)周期擴(kuò)展到了雙頻激勵(lì)系統(tǒng)的一個(gè)拍頻(頻差)周期。若兩個(gè)頻率比較接近而且穩(wěn)定,則去模糊范圍可大大提高。
鑒相器在整個(gè)(-π, +π)的范圍內(nèi)測(cè)量相位,為了提高相位檢測(cè)的精度, Pavlovic等[40]提出一種脈沖相位法,將傳播時(shí)間測(cè)量分為相差粗測(cè)和相差細(xì)測(cè)兩個(gè)步驟。粗測(cè)使用脈沖計(jì)數(shù)方式,除了獲得相位差初值,還確定傳播時(shí)間中整數(shù)倍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的部分;細(xì)測(cè)時(shí),依據(jù)粗測(cè)所得的相位初值,從精細(xì)化相位后的標(biāo)準(zhǔn)脈沖列中選擇一列參考信號(hào)與接收信號(hào)鑒相比較,從而在較小的相位尺度下求得更準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)于傳播時(shí)間中分?jǐn)?shù)倍標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘的部分。文獻(xiàn)[40]中選擇8列精細(xì)化相位的標(biāo)準(zhǔn)脈沖列,每列脈沖相位差均為45°(優(yōu)良相位分別為0°, 45°,…,315°),若粗測(cè)的接收信號(hào)相位為242°,則選擇優(yōu)良相位為225°的標(biāo)準(zhǔn)脈沖列與之鑒相,測(cè)得**的相位差17°。其實(shí)驗(yàn)表明,基于此工作原理的超聲流量測(cè)量系統(tǒng)(工作頻率為2. 2MHz),*小分辨率達(dá)。
Roosnek[41]理論闡述了一種新的基于時(shí)相域的信號(hào)處理方法,用于估計(jì)超聲回波這類(lèi)典型窄帶信號(hào)的傳播時(shí)延。先用Hilbert變換對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行正交處理,獲得信號(hào)的解析形式(復(fù)信號(hào)),然后對(duì)解卷繞的相角進(jìn)行*小二乘擬合得到時(shí)延估計(jì)的偏差值。時(shí)延的估計(jì)值通過(guò)復(fù)信號(hào)包絡(luò)峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)標(biāo)求得,與偏差值相加即為傳播時(shí)間。Kupnik等[42]將此方法應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)尾氣的超聲流量測(cè)量,相角沒(méi)有解卷繞,而算法中為確定信號(hào)到達(dá)時(shí)刻進(jìn)行有效峰值標(biāo)記時(shí),由于采用的是經(jīng)驗(yàn)法則判定,存在一定誤差,系統(tǒng)整體精度為1.79%。
4 頻差法
頻差法,又稱(chēng)鳴環(huán)法,通過(guò)測(cè)量順、逆流超聲脈沖的循環(huán)頻率差獲得流體流速。鳴環(huán)法思想在上世紀(jì)20年代末[43]就被提出,但限于電子技術(shù)水平,直到50年代后才應(yīng)用到超聲流量測(cè)量[44]。如圖1,換能器A發(fā)射超聲脈沖,經(jīng)流體介質(zhì)傳播,到達(dá)接收換能器B,整形處理后再次觸發(fā)換能器A產(chǎn)**射信號(hào),形成一個(gè)聲循環(huán)過(guò)程,這一循環(huán)頻率即為順流聲循環(huán)頻率;同樣,換能器B作為發(fā)射,換能器A作為接收時(shí),存在一個(gè)逆流聲循環(huán)頻率。在其它延時(shí)因素影響較小的情況下,順、逆流的聲循環(huán)頻率差與流速成正比:
頻差法也需要確定接收信號(hào)的到達(dá)時(shí)刻,故2.1節(jié)討論的各種門(mén)限電平法同樣適用,相應(yīng)的觸發(fā)誤差也存在,Delsing[45]對(duì)此設(shè)計(jì)了改進(jìn)的算法用于修正觸發(fā)誤差。另外,式(5)是經(jīng)過(guò)近似的,若近似條件不滿足,如順、逆流聲回路延時(shí)不對(duì)稱(chēng)且不可忽略,聲路中有反射波干擾,或介質(zhì)溫度快速變化等,就會(huì)引入很大誤差[46]。
使頻差法測(cè)量有本質(zhì)飛躍的是鎖相環(huán)PLL技術(shù)的引入。其原理是通過(guò)接收與發(fā)射信號(hào)間的相位偏差,控制內(nèi)部壓控振蕩器VCO的振蕩頻率,當(dāng)環(huán)路處于相位鎖定狀態(tài)時(shí),VCO的頻偏(VCO輸出振蕩頻率與其固有頻率之差)與信號(hào)的傳播時(shí)間成比例。如圖5所示,鎖相環(huán)輸入是經(jīng)過(guò)了一定傳播延時(shí)的接收信號(hào),輸出為VCO振蕩頻率F1(F2),此頻率直接或經(jīng)N分頻后分別輸入換能器驅(qū)動(dòng)和鑒相器。當(dāng)環(huán)路處于鎖定狀態(tài)時(shí),兩VCO的振蕩頻率分別是順、逆流傳播時(shí)間的倒數(shù),兩環(huán)路的振蕩頻差與流速呈線性關(guān)系?？梢?jiàn),鎖相測(cè)時(shí)技術(shù)利用反饋控制,根據(jù)傳播時(shí)間(流速)不同自動(dòng)調(diào)節(jié)振蕩頻率,使得傳播聲道中的超聲信號(hào)恰為整數(shù)個(gè)波長(zhǎng);同時(shí),通過(guò)“時(shí)差—相差—頻差”的轉(zhuǎn)換獲得較高的測(cè)量精度。然而,當(dāng)量程較大時(shí),傳播時(shí)間變化范圍大, 對(duì)應(yīng)VCO的頻偏也大,這就要求鎖相環(huán)有較寬的同步帶,*有較平坦的頻率響應(yīng)。為解決該問(wèn)題,Redding[47]設(shè)計(jì)了一種附加調(diào)頻功能的鎖相環(huán)路,使用較低的VCO振蕩頻率作為調(diào)制波,*的激勵(lì)頻率僅作為載波,大大降低了對(duì)換能器帶寬的要求,擴(kuò)大了量程。實(shí)際上,從上世紀(jì)40年代提出由模擬分立器件構(gòu)成的鎖相環(huán),到當(dāng)今各種高性能集成全數(shù)字鎖相環(huán)、甚至軟件鎖相環(huán)[48]的出現(xiàn),其帶寬和頻率穩(wěn)定性等指標(biāo)在超聲流量測(cè)量應(yīng)用中已不是問(wèn)題,鎖相頻差測(cè)時(shí)精度提高的關(guān)鍵在于適合不同應(yīng)用場(chǎng)合的高性能寬帶換能器。隨著各種*工藝和材料研制的新型超聲傳感器的出現(xiàn),鎖相頻差法流量測(cè)量系統(tǒng)的精度必將進(jìn)一步提高。
5 超聲流量測(cè)量發(fā)展趨勢(shì)
5.1 *信號(hào)處理方法
信號(hào)處理理論日益豐富,技術(shù)水平也不斷提高,未來(lái)超聲流量測(cè)量不會(huì)僅**于在某單個(gè)域中進(jìn)行信號(hào)分析,而是在各種復(fù)合域中處理信號(hào),提取含有同上等速信息的多個(gè)特征參量,并盡可能準(zhǔn)確地從中估計(jì)流速。如第3節(jié)中用信號(hào)復(fù)包絡(luò)和Hilbert變換求傳播時(shí)間的方法,就是一個(gè)時(shí)相域結(jié)合的例子。
5.2 相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)移植
超聲除了用于流量測(cè)量,還廣泛用于測(cè)距、無(wú)損檢測(cè)和醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域,傳播時(shí)間的**測(cè)量往往是這些應(yīng)用的共同目標(biāo),因此可以借鑒相關(guān)領(lǐng)域的*,如Gan等[49]使用的掃頻相乘法(SweptFrequencyMultiplication),Cowell等[50]提出的五進(jìn)制線性調(diào)頻法(Quinary LFM)等。另外,雷達(dá)系統(tǒng)與超聲系統(tǒng)有相似的工作過(guò)程,其回波信號(hào)都是典型的窄帶信號(hào),因此雷達(dá)領(lǐng)域*和成熟的技術(shù)也可移植,如2.3節(jié)中介紹的脈沖壓縮技術(shù)就已廣泛地應(yīng)用于各種超聲檢測(cè)系統(tǒng)中[51,52]。
5.3 寬帶超聲測(cè)量系統(tǒng)
上述討論的各種信號(hào)處理技術(shù)無(wú)疑要求系統(tǒng)具有一定的帶寬,而整個(gè)超聲測(cè)量系統(tǒng)帶寬的瓶頸在于*。目前廣泛使用的壓電換能器帶寬一般較窄,一些學(xué)者在流量測(cè)量中已采用靜電式換能器[53],不僅能提供較大的帶寬,在較高溫度下也可正常工作(壓電型存在居里點(diǎn),超過(guò)后壓電效應(yīng)消失或減弱)。
5.4 多參數(shù)測(cè)量
超聲流量測(cè)量中,通過(guò)順、逆流的傳播時(shí)間可以計(jì)算聲速。而聲速是一個(gè)受各種介質(zhì)參數(shù)如溫度、密度、比熱和成分等影響的物理量,包含了多種信息。因此,測(cè)量流量的同時(shí)還可測(cè)得聲速,繼而根據(jù)聲速與其它物理量的函數(shù)關(guān)系,間接測(cè)得其它多個(gè)參數(shù)。如文獻(xiàn)[54]就通過(guò)檢測(cè)聲速變化,監(jiān)控半導(dǎo)體氣體成分的比例以控制生產(chǎn)。
5.5 特殊應(yīng)用
超聲流量測(cè)量非接觸的優(yōu)勢(shì)使得其迅速發(fā)展,遇到的應(yīng)用場(chǎng)合及介質(zhì)流型也越來(lái)越復(fù)雜,就需要研究相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)克服這些特殊應(yīng)用中的問(wèn)題。如Kupnik等[55]應(yīng)用背景是內(nèi)燃機(jī)排放尾氣,溫度*高達(dá)450℃,氣流脈動(dòng)頻率1. 5 kHz,對(duì)此研究了可變脈沖重復(fù)頻率技術(shù)(Adaptive Pulse RepetitionFrequency)以克服氣流脈動(dòng)引起的誤差。
6 總 結(jié)
本質(zhì)上講,超聲流量測(cè)量是一個(gè)通過(guò)換能器耦合的電聲綜合系統(tǒng),超聲信號(hào)的發(fā)射和接收處理一般通過(guò)電子電路實(shí)現(xiàn),其性能用信噪比、分辨率等電學(xué)指標(biāo)描述。文章從信號(hào)收發(fā)和處理的角度,回顧了傳播時(shí)間法超聲流量測(cè)量近五十年來(lái)的發(fā)展情況,詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外比較新的測(cè)量原理和技術(shù)?？梢哉J(rèn)為近年來(lái)時(shí)差法的研究比較活躍,相差法在解決了相位模糊問(wèn)題后,也出現(xiàn)了一些新的測(cè)量方法,頻差法簡(jiǎn)單直觀,因此原理上的進(jìn)展相對(duì)緩慢,主要依賴于電子技術(shù)水平的提高。文章*后預(yù)測(cè)了超聲波流量計(jì)測(cè)量未來(lái)一段時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)。
