摘要 針對特定環(huán)境下，在管外壁安裝探頭不便的情況，設(shè)計了將探頭內(nèi)置在管內(nèi)與流動方向平行的超聲波流量測量方式和相應(yīng)裝置，在計算時間差時，采用相關(guān)法計算時間差，相關(guān)法本身具有一定的濾波去噪特性，提高了時間差的測量精度。系統(tǒng)硬件設(shè)計了超聲波發(fā)射、接收及放大電路，采用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化接收信號。實驗表明，電路產(chǎn)生的脈沖幅度高、寬度窄，能有效地激勵超聲換能器。波形進行采樣相關(guān)處理后的計算值與實際值誤差很小，提高了所求時間差的精度，從而更好的進行流量計算。
關(guān)鍵詞 超聲波流量測量；時間差；相關(guān)法；高精度

    在工業(yè)生產(chǎn)過程中，流量測量是應(yīng)用廣泛的測量物理量。在特殊情況下，如豎直油井等不易管道外置安裝探頭時，需要設(shè)計一種儀器設(shè)備對管內(nèi)安裝進行測試流量。在實際情況中，由于探頭內(nèi)置在被測液體中，發(fā)射接收的波形會受干擾，所以本設(shè)計主要針對采用相關(guān)法原理設(shè)計的超聲波流量計對液體流量進行測量。在測量系統(tǒng)中流動噪聲可利用傳感器檢測，而相關(guān)法測量延時的特點是抵御噪聲的能力強，只要干擾噪聲與接收信號不相關(guān)，測量結(jié)果就不受干擾噪聲的影響，采用兩組探頭，把發(fā)射信號和接收的信號做相關(guān)運算處理，得出較好的波形。

1 測量原理
    當超聲波在液體中傳播時，與液體流動方向相同或相反時，超聲波傳輸時間不同。在本次設(shè)計中，將采用探頭相對并且浸在被測液體中，整體的檢測部分在管內(nèi)進行。設(shè)計如圖1所示若在固定長度L的距離內(nèi)，分別放置兩組超聲波發(fā)送器S1、S2和接收器R1、R2，則對于順流和逆流有。

   
    式(1)和式(2)中，C為超聲波在靜止流體內(nèi)的傳播速度；V為流體流動的速度；T1為順流傳播所需要的時間；T2為逆流傳播所需要的時間。
    由式(1)變形得
   
    由發(fā)射信號和接收信號做相關(guān)，可以測得傳輸時間。相關(guān)法主要是指兩路信號之間的相似性，其中一路信號較另一路信號有一個時間上的延遲。對兩路信號的互相關(guān)函數(shù)進行計算，并計算出對應(yīng)于最相似時所對應(yīng)的時間，即互相關(guān)函數(shù)的峰值點所對應(yīng)的間，即為渡越時間τ。
超聲波換能器發(fā)出一個信號x(t)，超聲波換能器收到一個信號y(t)，理論上信號y(t)是信號x(t)的一個延時信號，兩個信號的波形相似，只是在時間軸上有時間間隔△t=t2-t1的兩組信號，由相關(guān)理論計算出這兩個信號的相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)，表達式為
   
    式(7)中T為測量時間；τ為延遲時間。
    由發(fā)射信號和接收信號做相關(guān)，可以測得傳輸時間。超聲波換能器發(fā)出一個調(diào)制信號x(t)，超聲波換能器收到一個信號y(t)，理論上信號y(t)是信號x(t)的一個延時信號，兩個信號的波形相似，只是在時間軸上有時間間隔△t=t2-t1的兩組信號。波形圖如2所示。

    當延時τ≠△t時，Rxy(τ)值很??；當τ=△t時，兩信號重合，Rxy(τ)達到最大值，波形圖如3所示。
    相關(guān)函數(shù)從時域上描述了兩個信號在不同時刻的相互依賴關(guān)系，其峰值對應(yīng)了兩個信號最相似的時刻。計算x(t)和y(t)的相關(guān)函數(shù)，就是在不同延時值下比較兩個波形的相似程度，得到相關(guān)函數(shù)Rxy(τ)的圖形，圖形峰值位置所對應(yīng)的時間就是兩波形的延時時間△t。

2 硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)由FPGA、發(fā)射電路、切換電路、接收放大電路、濾波電路、采樣單元電路等幾部分構(gòu)成。超聲波換能器A、B在FPGA的控制下，輪流工作在發(fā)射與接收狀態(tài)。接收信號經(jīng)過接收放大、選頻放大濾除了部分干擾信號，再送往采樣單元，整個過程的時序控制都由FPGA實現(xiàn)。通過對發(fā)射和接收的波形采樣后做相關(guān)，便得出流體順流和逆流的時間差，從而求出流體的流速。

2．2 發(fā)射電路
    發(fā)射電路如圖5所示采用電感儲能方式產(chǎn)生高壓脈沖來驅(qū)動超聲波探頭，驅(qū)動信號由FPGA發(fā)出，發(fā)出信號經(jīng)過6N137進行電氣隔離，信號進入TPS2811。TPS2811是高速MOSFET驅(qū)動器。輸出端接在場效應(yīng)管的柵極，控制場效應(yīng)管的開關(guān)。場效應(yīng)管漏極接連一個電感，電感一端連在直流電源。場效應(yīng)管源極接一個電阻接地。
    工作時，TPS2811輸出高低電平，當輸出為高時，場效應(yīng)管導(dǎo)通，漏極與源極之間導(dǎo)通電阻較低，近似短路，電源對電感儲能，當TPS28 11輸出為低電平時，場效應(yīng)管截止，漏極與源極間電阻較大，視為斷開，電感對超聲波探頭產(chǎn)生高壓脈沖，驅(qū)動超聲波探頭。當高電平時間長，場效應(yīng)管導(dǎo)通時間長，電感儲能就多，發(fā)射電壓就高，反之就低。探頭驅(qū)動脈沖圖如圖6所示。

2．3 探頭切換電路
    探頭實現(xiàn)收發(fā)的切換，切換電路由CD4052實現(xiàn)，通過控制器的I／O口給CD4052信號實現(xiàn)通道選擇，使探頭之間進行收發(fā)互換，進行順逆流速的測量。電路圖如圖7所示。

2．4 接收放大電路
    超聲波探頭接收到的信號基本是毫伏級，要經(jīng)過A／D采集，需要進行放大。超聲波探頭阻抗高，接收放大電路需要高的輸入阻抗與之相匹配。放大器選擇高輸入阻抗的放大器，放大倍數(shù)要考慮到放大器的帶寬和放大的電壓。電路圖如圖8所示。

2．5 濾波電路
    設(shè)計采用由通用運算放大器和RC阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的有源帶通濾波器，電路圖和參數(shù)如圖9所示。

3 系統(tǒng)流程
    系統(tǒng)由FPGA控制，初始化程序，系統(tǒng)開始，F(xiàn)PGA給出驅(qū)動信號，驅(qū)動探頭發(fā)射波形，實現(xiàn)順流發(fā)射波形，探頭在另一端接收波形，波形經(jīng)過放大濾波后進行采樣，并把發(fā)射端波形引入到接收端，同樣進行接收放大濾波采樣，采樣后存到寄存器里，當采樣到一定波形后，通過FPGA控制CD4052進行收發(fā)切換，切換收發(fā)方向，實現(xiàn)逆流發(fā)射，同上對發(fā)射和接收的波形進行放大濾波采樣。采樣后的波形在住相關(guān)處理，計算順逆流傳播時間，進而計算流速流量。系統(tǒng)流程如圖10所示。

4 實驗結(jié)果
    圖11為接收的波形，通道1為發(fā)射端信號波形，通道2為接收端信號，圖中可以看到接收端和發(fā)射端信號波形相似，2和1之間有一定時間延時。

    測量兩組信號的時間差時，對兩組信號用高速A／D同時采樣，把模擬量轉(zhuǎn)化為兩組數(shù)字量，對兩組信號作相關(guān)運算，圖12為采樣后的波形，圖12(a)發(fā)射端接收信號波形，圖12(b)為接收端接收到的信號，圖12(c)為圖12(a)和圖12(b)兩組信號波形做相關(guān)運算后得波形。

    發(fā)射信號頻率為40 kHz，周期為25μs，4個周期為100μs，采樣點數(shù)為10 000個點。實驗中設(shè)定接收端信號波形與發(fā)射端的時間差如表1所示，但理想與實際采樣后的時間差有一定誤差，相關(guān)后的計算結(jié)果也會有一定誤差，表1中給出了11組時間差的理想、實際采樣和相關(guān)計算后的時間差，并計算出相應(yīng)誤差。

5 結(jié)束語
    實驗裝置實現(xiàn)了探頭內(nèi)置與被測液體流動方向平行的測量方案，發(fā)射電路設(shè)計了利用低壓直流來發(fā)射高壓直流脈沖驅(qū)動探頭，完成了探頭按要求發(fā)射接收切換，各部分相應(yīng)的硬件電路滿足設(shè)計要求。實驗數(shù)據(jù)可以看出相關(guān)法的計算結(jié)果誤差率在5％以內(nèi)，時關(guān)法本身的特性可以在計算過程中有去除接收放大濾波和采樣的過程中得一些干擾，所以應(yīng)用相關(guān)法在測量時間差方面有提高精度的能力。