一种改进时差法超声流量测量的研究

上传者：黄勋
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上传时间：2015-05-05
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一种改进时差法超声流量测量的研究

一种改进时差法超声流量测量的研究收稿日期：2010-06-10 ；修回日期：2010-06-26
基金项目：国家自然科学基金(10974044)；高校中央研究基金
(09B101-18)
作者简介：卞其勇(1981-), 男, 江苏盐城, 汉, 硕士研究生在读, 研究方
向为检测技术及自动化装置。
通讯作者：韩庆邦，hqb0092@http://wendang.chazidian.com。
计数器进行脉冲计数
[4]
；一个是软件的方法，如使
用软件对回波信号进行时延估计
[5]
。
2 改进时差法原理
改进时差法超声流量测量在换能器的安装上
做了改进，改变以往的Z 形或V 形，为N 形。如
图1 所示，管道中流体以速度v 流过管道，TRA 和
TRB 为收发一体换能器，TRC 和TRD 为接收换能
器， 为超声传播角，c 为超声波在流体静止时的
传播速度，D 为管径，L 为TRA 和TRB 为收发换
能器之间的距离。
超声顺流收发过程：换能器 TRA 发射超声信
号被顺流方向的换能器 TRB 和垂直流向方向的换
能器TRC接收到，超声传输的时间分别为
11
t 和
12
t 。
   cos /
11
v c L t   -------------(1)
c D t /
12
 -------------(2)
由(1)和(2)可得，顺流收发过程中两个换能器接
Technical Acoustics
2
收到超声传播时间差为：
  c D v c L t t t / cos /
12 11 1
       ----(3)
超声逆流收发过程：换能器TRB 发射超声信号
被逆流方向的换能器 TRA 和垂直流向方向的换能
器TRD 接收到，超声传输的时间分别为
21
t
和
22
t
。

v

D
L
TRB TRC
TRD TRA

图 1 改进时差法超声流量测量原理图
Fig.1 Schematic of improve time-difference of ultrasonic flow measurement
   cos /
21
v c L t   -------------(4)
c D t /
22
 -------------(5)
由(4)和(5)可得，逆流收发过程中两个换能器接收到超
声传播时间差为：
  c D v c L t t t / cos /
22 21 2
       -----(6)
另外由几何关系知：
L D/ sin   -------------(7)
联立方程(3)、(6)和(7)得方程组

-------(8)

在实际超声流量测量过程中， 为超声传播角，
D 为管径，L 为TRA 和TRB 为收发换能器之间的
距离，这三个物理量可以精确测量。超声波在流体
静止时的传播速度 c，受温度、流体介质的本身特
性等影响较大，对流体流速测量的影响也较大，但
是本文的改进时差法能够直接测量出
1
t  和
2
t  ，通
过方程组(8)即可解出流体的流速 v，进而求得流体
的流量，此过程中不用测量超声波在流体静止时的
传播速度c。
3 超声回波信号处理
在超声回波信号的处理方面，基本的思路是用
示波器采集到数字波形和采样点，通过 MATLAB
软件进行时延估计。
超声顺流收发时：换能器 TRA 发射超声信号
被顺流方向的换能器 TRB 和垂直流向方向的换能
器TRC 接收到，示波器探头CH1 接换能器TRC，
探头 CH2 接换能器 TRB；超声逆流收发时：换能
器TRB 发射超声信号被逆流方向的换能器TRA和
垂直流向方向的换能器 TRD 接收到，示波器探头
CH1 接换能器TRA，探头CH2 接换能器TRD；某
一次接收的顺流和垂直流向的超声回波波形如图 2
所示。

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