（测试计量技术及仪器专业论文）超声波液位计、流量计中时间测量方法的研究.pdf

论文题目：超声波液位计、流量计中时间测量方法的研究 专业：测试计量技术及仪器 硕士生：高丽红( 签名) 簋函红 指导教师；王正垠( 签名) 乙：乙：二! i 垒 摘要 在现存的各种液位、流量仪表中，利用超声技术研制的仪表因具有非接触测量的优 点在测量仪表中占有非常重要的地位，得到了越来越广泛的应用。对于各种超声测量仪 表来说，其测量精度的高低主要由超声波传播时间的测量精度决定，所以研究可提高测 时精度的方法有重要意义。 本文分析了以脉冲法为主的传统超声测时方法存在的缺陷。针对流量测量提出了一 种高精度测时方法：频差一相差一时差法。给出了该方法的测时原理。对其进行了误差分 析，设计了基于q u a r t u s i i 平台的相位检测方案以及整个系统的实现方案；针对液位测量， 根据超声波与雷达波的相似性，提出将线性调频技术应用于超声波液位测量中。利用 m a t l a b v 具对该方法进行了分析验证，设计了实现方案并对其进行了精度分析。 对两种测试方法的研究表明：频差- 相差时差测时方法适合于流量测量，测时精度 主要由测相精度和所发射信号的频率稳定度决定，在一定条件下可达纳秒级；线性调频 测时方法的测时精度主要由发射信号的时间带宽积决定，适合于液位测量。 关键词：超声波时间测量频差相差时差线性调频 论文类型：应用研究 s u b j e c t ：t h es t u d yo ft i m em e 懿u d n gm e t h o di nu l t r a s o n i cl e v e lm e t e r sa n df l o w m e t e r s s p e c i a l t y ：t e s t i n g & m e a s u r i n gt e c h n o l o g y a n di n s t r u m e n t n a m e ：g a o i n s t r u c t o r ： a b s t r a c t u l t r a s o n i cl e v e lm e t e r sa n df l o wm e t e r sh a v ed i s t i n g u i s h e dc h a r a c t e r sc o m p a r e dw i t ho t h e r n o n u l t r a s o n i cm e t e r s u l t r a s o n i cm e t e r sh a v eb e e nw i d e l yu s e db e c a u s eo ft h e i rn o n i n v a s i v e c h a r a c t e r i s t i c t h em e a s u r i n ga c c u r a c yo fu l t r a s o n i cm e t e r si s m a i n l yd e t e r m i n e db yt h e m e a s u r i n ga c c u r a c yo f u l t r a s o u n df l yt i m e ，s oi ti sr e a l l yi m p o r t a n tt os t u d yh o wt oi m p r o v e t h ea c c u r a c yo fu l t r a s o u n df l yt i m e i nt h ep a p e r ，t h et r a d i t i o n a lt i m em e 弱u r i n gm e t h o d ，s i n g l ep u l s em e t h o di sd i s c u s s e d a n o v e lh i g h l ya c c u r a t et i m em e a s u r i n g m e t h o d ，f r e q u e n c y - p h a s e t i m ed i f f e r e n c e ，i sg i v e ni n d e t a i l si nt h ep a p e r t h ei m p l e m e n t a t i o nf o rt h en o v e lm e t h o di sp r o p o s e du s i n gq u a r a t u si i s o f t w a r ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a b i l i t yo ft h eu l t r a s o u n da n dr a d a r ，t h eu s eo f l i n e a rf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ( l f m ) t e c h n i q u ei nu l t r a s o n i cl e v e lm e t e ri sa n a l y z e db yt h e t o o lo fm a t ia b t h ec o n c r e t cd e s i g ns c h e m ea n de r r o ra n a l y s i si sg i v e l l i na c c o r d a n c e w i t ht h e t h e o r y r e s e a r c ha n d e x p e r i m e n ta n a l y s i s ，t h ef o l l o w i n g c o n c l u s i o n sc a nb eo b t a i n e d ： f r e q u e n c y - p h a s e - t i m ed i f f e r e n c em e t h o dc a l lb eu s e df o ru l t r a s o n i cf l o w r n e t e r s t h e a c c u r a t ed e t e r m i n e db yt h ea c c u r a t eo fp h a s ea n dt h es t a b i l i t yo ft h e f r e q u e n c y ，t h et i m e a c c u r a c yi sl e s st h a n1n s l f mt e c h n i q u ei nw h i c ht h ea c c u r a t ed e t e r m i n e d b y t h e p e r s i s t e n t t i m ea n dt h e b a n d w i d t ho ft h es i g n a lc a l lb ee f f e c t i v e l yu s e df o ru l t r a s o n i cl e v e lm e t e r e s p e c i a l l yf o r l o n g r a n g el e v e lm e t e r k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cw a v e ，t i m em e a s u r e ，f r e q u e n c y - p h a s e - t i m ed i f f e r e n c e , l i n e r f r e q u e n c ym o d u l a t i o n t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 学位论文创新性声明 、。6 0 5 6 0 q 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西 安石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：；叠亘i 坌曼日期：呈q 2 堇! ! 量 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以 任何方法发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发 表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然 为西安石油大学。 论文作者签名：函蠡坌量 导师签名：址 日期： 日期： 2 0 d 斗s i f 釜! 塑t 孓 第一章绪论 第一章绪论 超声是指频率高于2 0 0 0 0 赫兹的声振【1 1 ，是一种以压缩波形式进行传播 的机械波。声波在入射到两种介质的分界面上时，部分声能反射，形成反射 波；部分声能穿透界面进入另一介质形成折射波。利用声波在同一介质中传 播速度一定而在不同介质分界面上会产生反射、透射的现象，超声技术得到 了广泛的应用。超声液位计、流量计就是其中应用之一。 1 1 液位与流量测量的意义 目前，在许多领域中液位测量技术已逐渐显现出其重要地位。从大的方 面来讲，水资源是人类赖以生存的宝贵自然资源，随着经济的发展，工业用 水量急居6 增加，对水资源储量的正确估计对经济发展战略的制定有重要指导 意义；从小的方面来讲，例如，石化部门使用的大型储油罐大多是立式圆柱 形罐或球形罐，其容量一般在1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 m 3 之间，很小的测量误差会造 成很大的绝对误差，因此提高储油罐的计量精度和自动化管理水平对石油行 业来讲是一个非常关键的问题。此外，测量流体的流速问题或通过测量输液 管道内流体的流速来测定输液管道是否存在漏液现象的问题，即流量测量， 也是许多领域亟待解决的一个重要问题。 从8 0 年代起，随着微电子、计算机、光纤、超声波、雷达等高科技的 迅猛发展，一些发达国家纷纷尝试将各种新技术、新方法渗透到各种液体液 位测量或流体的流量测量中来。九十年代初，我国开始将超声测距技术应用 到河流、湖泊、水、渠等水体的水位、流量测量中及油、浆等液体的液位测 量之中，并开始发挥其重要作用。液位、流量测量仪表中的测量技术的发展 都经历了一个从机械到机电一体化再到自动化的发展过程【2 1 。从国外液位、 流量仪表的发展技术动向来看，将来的液位、流量仪表的发展主要有三大热 点：高精度、智能化和非接触测量。 1 2 时间测量在超声测量中的地位 在现存的各种液位、流量仪表中，利用超声技术研制的仪表因优越于其 它液位计、流量计的具有明显优点( 如可进行非接触测量，测量精度较高等1 ， 在测量仪表中占有非常重要的地位，得到了越来越广泛的应用。 西安石油大学硕士学位论文 采用超声波技术的液位或流量测量为非接触测量，测量时由发射传感器 发射超声波信号，利用超声波信号在两介质的分界面上将会产生反射、折射 和透射的现象及超声波在某均匀介质中的传播速度为一定值等性质，可以通 过测量超声波的传播时间来间接测量超声波传播的距离，从而进行液位、流 量测量。测量的关键是时间测量，即如何高精度测得超声波信号在被测介质 中的传播时间是问题的关键。 虽然在液位计和流量计中，对超声波传播时间的测量精度要求都比较苛 刻，但两者又对测时精度要求又不同：进行流量测量时对测时精度的要求要 远远大于进行液位测量时对测时精度的要求。进行液位测量时，测时精度达 到微秒级即可满足的要求，但在进行流量测量时，对测时精度的要求至少要 达到纳秒级。所以研究分别适用于液位测量和流量测量的高精度的测时方法 是很有必要的。 1 3 课题背景及本文的主要工作 1 3 1 课题研究背景和题目来源 在国内，到目前为止，在超声波传播时间测量方面主要是采用的还是传 统的测时方法【3 1 ，或在传统的测时方法基础上作一些改进形成的时间测量方 法；此外，为提高测时精度也可采用相位差法，但传统的相位差法只能提供 两路信号的相对时间差，而无法得到绝对时间，并且在提高测量精度上还存 在一定不足之处，所以研究一种新的高精度测时方法是很有必要的。线性调 频技术在雷达通讯中应用非常广泛，但如何应用线性调频技术提高超声波测 时精度，还是一个新的研究领域。 在国外，根据目前所查阅资料，还没有人将线性调频技术应用到超声波 液位、流量仪表中。不过，p a c 公司研制的u l 仃a s p e c t m ( 美国专利，专利 号5 , 5 9 1 ，9 1 3 ) 超声声谱仪分析系统，就利用了线性调频技术。u l t r a s p e c t m 用 一个扫频爆发( 或线性调频脉冲) 产生输入信号可使得能量信号在给定频率 范围内具有极高的信噪比；并且在该超声声谱仪中采用到了相关检测的方 法。由s m i t h ；m i l t o n0 申请的关于超声波流量计( 美国专利，专利号6 ， 1 5 8 ，2 8 8 ) 中提到了在利用超声波进行测量时为使测量准确应进行声速校正。 西安石油大学硕士学位论文 本题目是西安石油大学与河北珠峰仪器仪表有限公司的合作项目。该项 目的目的是研制一种新型高精度的超声波液位仪表，其中时间测量是提高测 量精度的重要内容之一。 1 3 2 研究任务和研究方法 提高超声波传播时间测量精度是提高超声波液位计、流量计测量精度的 关键。但要想显著提高超声波的测时精度并不容易：由于超声波在液体介质 中的传播的速度一般在1 5 0 0 m s 左右，在进行液位测量时，若要精确到毫米 级，则测量时间误差应在微秒范围内；在进行流量测量时，在实测的管道中， 流体的流速一般在0 。2 0 m s 范围内，所以此时的时间差通常在数纳秒至微秒 之间，若要求测量精度在1 以内，则测时分辨率要在1 0 “s 以上，所以，一 般测时方法很难达到。 本文研究了现存的多种测超声波传播时间的方法，分析了各测时方法在 提高测时精度方面存在的缺陷，并在此研究的基础上，根据液位计和流量计 对测时精度的要求不同提出了两种不同的时间测量方法：线性调频技术与超 声技术相结合的用于液位测量的测时方法和专用于流量测量的频差相差 时差测时方法。具体研究任务和研究方法如下： a 基础性研究研究了超声波液位计和流量计的测量原理。通过对测量 原理的研究，更加突出了提高测时精度对提高整个测量精度的重要性。 b 分析了多种现存的超声传播测时方法研究了门限脉冲法、三传感器 法和时差相差频差时差测时方法的测时原理。通过对各种测时方法的分析 比较，找出了各测时方法在提高测时精度方面存在的不足与缺陷。 c 直接测相间接测时方案在研究传统测时方法的基础上，提出了一种 可提高超声波流量计中传播时间测量精度的时间测量方法，即频差一相差一时 差法。给出了该种测时方法的原理。并根据该种测时方法对相位检测精度要 求较高的特点，通过实验对两种高精度测相方案进行了比较，确定使用其中 一种切实可行的测相方案。 d 实现电路的设计设计出了利用频差相差时差法实现对超声波传播 时间测量的完整测时方案。提出将整个设计中的核心部分一相位差的测量利 西安石油大学硕士学位论文 用f p g a 芯片实现。将一个复杂的电路集成到一个数字芯片中，提高了测量 精度，简化了设计电路，减小了系统的体积，提高了系统可靠性。 e 线性调频技术的应用针对液位测量，提出将线性调频技术应用到超 声传播时间测量中的完整方案，设计了实现该方案的系统框图，详细分析了 各组成部分的工作原理。最后，对该种方案的测时精度以及影响测时精度的 主要因素作了系统分析。 第二章超声液位计和流量计原理及传统测时方法 第二章超声液位计和流量计测量原理及传统测时方法 超声波液位计、流量计的设计本质都是利用超声波传播时间与传播距离 的关系。由于两者测量原理不同，对测时精度要求也不同，所以在设计中要 根据应用场合选用不同的测时方法。 2 1 超声液位计测量原理 图2 - 1 灏位计测量原理 在测量河流、湖泊等的液位时，可利用单片机或其它微控制器控制超声 波发射电路，利用超声传感器将电信号转换为机械波，即超声脉冲波。该脉 冲波以一定的速度传播到被测液体的液面( 如水面) 后，部分信号被反射， 又传回到超声传感器，超声传感器将反射后传播回来的机械波又转换为电信 号。由于以一定速度传播的超声波信号的传播时间与它所传播的距离成正 比，所以，只要利用微控制器量测定从发射超声波信号到接收到传回的反射 信号所经历的传播时间t ，再通过超声波传播时间与所传播距离的关系运算， 就可以得到超声波探头到液面的距离h 。 如图2 - 1 所示，水位h 可由下面的公式求得： 1 h = h o - h h o 一妄。d 。t( 2 1 ) 二 其中：h 。为传感器安装的海拔高度，在测量前已获知； h 为被测液体高度。 超声波信号在某介质中传播时，其传播速度由传播介质的性质决定，并 受环境温度影响，温度每变化1 c ，超声波的传播速度变化约为0 1 8 i 4 1 ， 即超声波实际传播速度与外界温度变化的关系式为 西安石油大学硕士学位论文 u2 ( ( ? 一t o ) x 0 1 3 0 1 8 + 1 ) d ( 2 2 ) 其中：t o 为标定温度；t 为环境实际温度。 由式( 2 1 ) 与式( 2 2 ) g 见，在进行液位测量时，如何高精度测量超声波传 播过程中经历的时间是整个测量的关键。时间测量精度的高低决定着液位测 量的准确度。 2 2 超声流量计测量原理陆1 超声流量计( 简称u s f ) 是通过检测流体流动时对超声束( 或超声脉冲) 的作用，以测量流体流量的仪表。按u s f 测量封闭管道的测量原理分类， 有：传播时间法，即时差法；多普勒效应法；波束偏移法；相关法； 噪声法。其中，传播时间法和多普勒效应法使用最多，但两者又有不同的 适用范围：传播时间法u s f 适用于测量清洁液体和气体的流速，不适用于 测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体：多普勒效应法常用于测量固相含 量较多或含有气泡的液体的流速。两种利用超声技术进行流量测量的测量方 法原理介绍如下，但在这里重点研究与测量超声波传播时间密切相关的传播 时间法的测量原理。 2 2 1 时差法超声流量计测量原理 图2 - 2 传播时间法测量原理 时差法测量流体流速的理论依据：声波在以一定速度流动的流体中传播 时，在顺流方向声波传播速度会增大，在逆流方向则减小，即同一传播距离 6 西安石油大学硕士学位论文 内超声波顺、逆的传播时间不同。所以可通过测得超声波脉冲沿顺流方向传 播和沿逆流方向传播时传播的时间差，来求得流体的流速，从而计算出流量。 时差法超声波流量计测量原理如图2 2 所示。设超声波信号的顺流传播 时间为t ，、逆流传播时间为t ：静止流体中声速为c ，流体流动速度为d ； 一组传感器只、p z 与管道轴线安装成。角，传感器间的距离为l 。 超声波从置到p 2 沿顺流方向传播时，有 f 1 _ 志( 2 - 3 )2 石面 从只到只沿逆流方向传播时，声波的传播时间f ：为 =i而l(2-4)t22 i 而 所以顺、逆流传播时间差为 ， 2 - t 1 一c - o c o s o 百丽 =焉(2-5)00c 2 2c 0 s 2 由于一般c d ，所以式( 2 5 ) 可简化为 t = f ：一f 。= 2 l v 7 c o s 8 ( 2 - 6 ) 所以 ”南也( 2 - 7 ) 根据式( 2 7 ) 可知，只要测得超声波沿顺、逆流方向上传播的时间差出， 就可算得流体的流速u ，也就可得出流量q 。由于在一般情况下超声波信号 的传播速度比流体的流速大得多，所以流体流速对超声波传播速度的影响可 以说是很微小的( 尤其是管径较小的情况下) ，所以这里对时间测量精度提 出了更高的要求。 堕窒至垫丈堂堡主堂垡笙奎 2 2 2 多普勒效应法流量计 多普勒( 效应) 法u s f 是利用在静止( 固定) 点检测从移动源反射声 波所产生多普勒频移现象。 射体 射城 u 图2 3 多瞀勒法超芦波流量计原理图 如图2 3 所示，超声换能器a 向流体发出频率为， 的连续超声波，经照 射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移 九，接收换能器b 收到频率为厶的超声波，其值为 厶- l 岩筹( 2 - 8 ) cc o suf 式中d 为散射体运动速度。 多普勒频移力正比于散射体流动速度 兀；厶厶。厶2 0 e o s o( 2 9 ) 测量对象确定后，式( 2 - 9 ) 右边除d 外均为常量，所以 d _ 土鲁( 2 - 1 0 ) 2 c o s 0 广 实际上多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体，而所测得各散射体 速度和载体液体流速间的关系也有差别。其它参量如散射体粒度大小组合与 流动时分布状况，散射体的流速非轴向分量，声波被散射体衰减程度等均影 响频移信号。 西安石油大学硕士学位论文 2 3 多种测时方法性能比较 对于超声波传播时间的测量方法，到目前为止主要是采用传统的测时方 法，或在传统的测时方法基础上作一些改进而形成的时间测量方法。根据测 时方法出现的大致先后顺序分别分析研究如下。 2 3 1 门限脉冲法 传统的超声波传播时间的测量方法是通过设定门限电平来确定接收传 感器是否接收到了超声波反射信号( 液位测量时) 、透射信号或折射信号( 流 量测量时) 的。 a 门限脉冲法测时原理门限脉冲法的测时实现原理详细描述如下： 由波形发生电路产生一频率、宽度、幅度都一定的超声脉冲波( 多为方波或 正弦波信号) ，超声脉冲波通过超声传感器发射的同时，开启定时计数器； 在接收端，由于在接收超声脉冲信号时，信号的幅度有一个从小到大的起振 过程，部分信号在起振过程中往往会被噪声所覆盖。为了区分接收到的信号 是超声波信号还是自然界中的噪声，在接收端设定了一个比较门限，当接收 到的脉冲波信号高于所设定的门限时，则认为已接收到了超声信号，控制定 时计数器停止计时，从而获得超声波的传播时间。 由于自然界存在的噪声干扰是随机的，有些噪声可能具有很大的幅度， 但这种大幅度噪声信号往往持续时间有限，所以在实际应用当中，不能仅仅 利用设定门限的方法来确定所接收到的脉冲信号就为所发射的超声波脉冲， 对接收到的脉冲信号还要进行频率、宽度、幅度判别f 6 】，以准确测得超声波 传播时间。 b 门限脉冲法误差分析尽管可以在传统门限脉冲法基础上作一定的 改进后会减少误判，提高测时精度，但利用传统的测时方法测量超声波传播 时间方法本身还是存在弊端的，对利用该方法进行液位测量和流量测量分别 分析如下。 西安石油大学硕士学位论文 入厂厂、 vvv 发射信号 b 一万一j 、厂、 。vu v ， 图2 * 4 洒位测重中fl 限脉冲法测时原理 在利用门限脉冲法进行液位测量时，除因受传播过程中引入的噪声的影 响测不准外，即使不考虑噪声的影响，由于信号的起振过程是一个信号幅值 由低到高的过程，采用门限脉冲法本身就将测时精度降低了。如图2 - 4 中所 示，测量液位时正才是真正的超声波传播经历的时间，互是利用门限脉冲法 测得的超声波传播时间。在发射信号频率为1 m h z 的正弦信号时，引入的时 间误差大约为1 2 a ，所以测量精度大大降低了。 顺流 一q b 万a ov vv j 。 i 铡 z ， 图2 5 流量测量中门碾脉冲法测时原理图 在利用门限脉冲法进行流量测量时发射与接收信号波形如图2 5 所示。 在顺流方向上与在逆流方向上的时间关系有正一瓦。一五一l ，所以取顺流、逆 流测量的时间的相对时间差可以消除在接收信号时起振过程的影响，得到相 对精确的测量时间。但也会因门限设置不当导致利用门限法检测到的波形相 差0 5 1 个波形，还会因为采用单纯门限方法带来的0 5 1 个波形的误差。 另外，在进行流量测量时，超声波的传播速度要远远大于被测液体的流 速，所以顺、逆流实际的时间差范围很小，在纳秒与微秒之间，若采用频率 为1 m h z 的正弦信号，则相差0 5 1 个波形则引入的误差约为0 5 1 p s ，所 以测时精度也大大降低了。 西安石油大学硕士学位论文 对于所发射的超声波脉冲来说，随着发射脉冲波频率的降低，测时精度 也降低，反之就增高：但发射脉冲波频率越高，脉冲波在传播过程中衰减也 就越快。所以一般所发射的脉冲波频率都集中在i m h z 左右。 通过对门限脉冲法的分析可知，该种方法原理简单，但测时精度不高， 在某些情况下，可满足对液位高度测量的要求，要实现对流量的高精度测量 还要对门限的设定进行适当的控制。 2 3 2 三传感器法 三传感器法是利用三个传感器实现单发双收，以消除超声波传播速度不 准确引入的系统误差的影响，利用超声技术测量液位高度的方法。实现原理 如图2 ，6 所示。 图2 - 6 三传鼹器法测液位原理 将收发换能器安装在密封容器的外壁，由i 发射超声脉冲，j 、k 接收超 声脉冲，若i 、j 及j 、k 之间的距离均为2 d ，则对于i 、j 及j 、k 往返时 间f 1 和f ：有 她。2 而c ( 2 1 1 ) f 2 2 扭2 + ( 2 d ) 2 c 7 ( 2 1 2 ) 为了提高测时精度，又采用发射特殊波形一正弦波调制的三角波脉冲作 为发射信号，以提高测时精度。由于在测量过程中，随着测量介质、容器材 料和液体高度的改变，两接收传感器接收的回波脉冲信号强弱不等，因此还 要对接收信号进行前置处理以获取稳定的回波脉冲信号。 西安石油大学硕士学位论文 4 耍) 爿，至卜岖区巾懂墅圈慢蛩叫耍墅d + 巫卧血。 l 谨习咂夔p 臼，l l 塑产叫叠卧bl ( 巫 ( 叠 匦蛩p 匿塑圈咂圃厦墅匦卜1 咂剜堕卜f ： l 匡曰匝塑酊一嚷 图2 - 7 时间测量处理框图 如图2 7 所示，前置处理主要包括了自动增益控制( a g c ) 、滤波、固 定增益放大等。对稳定的回波信号进行平方检波、微分处理和过零检测以获 取包络时延值；还对回波信号进行整形( 限幅放大处理) 以准确测量其初相 位。 通过发射正弦波调制的三角波脉冲波形，然后利用过零检测来确定发射 时间点和接收时间点，这样确定的接收时间点要较传统的利用门限方法要准 确的多，但该方法对信号处理精度要求较高，而且电路复杂，不易实现。 2 3 3 时差一相差一频差一时差测时方法暗。1 时差相差频率时差的测时方法是在时差法流量计基础上进行了一定 的性能改进后建立起来的测时方法。经过对该方法的研究分析，该种时间测 量原理总结如下。 在顺流方向与逆流方向发射频率、相位相同的超声波信号，使两发射信 号与其接收信号之间的相位差分别固定。由于超声波信号在顺流方向与在逆 流方向传播时，因流体流速的影响使得虽然传播同样的距离但到达接收端的 时刻不同，即存在时差；由于顺、逆流方向发射信号为同一频率的，信号传 播时间不同所以在顺、逆流两方向上到达接收端时接收信号与发射信号的相 位差不同，即引起了相位差：再利用锁相环电路进行相位检测，将顺、逆流 两方向的接收信号作为相位检测器的输入信号，由相位差得出系统的频率变 化，再根据传播时间与频率之间的关系求得顺、逆流两方向的时间差。 西安石油大学硕士学位论文 图2 9 锁相环控制简图 其中，把因时差引起的相差转换为两信号的频差，以及在将由频差转换 为顺、逆流方向的时差都是由锁相环电路控制完成的【1 0 】。 在如图2 - 9 所示的锁相环路中，相位检测器的特性为 v ( o 一髟i s , ( 0 - e , ( 0 ( 2 - 1 1 ) v c o 的特性为 珊一k o v ( o 则 一k 。k d 【b ( f ) - o o ( t ) ( 2 - i 2 ) 式中瞑，见为v c o 两路输人信号的相位差；y ( f ) 为相位检测器的输出电压； k 。为相位检测器的增益；k 。为v c o 的增益；为v c o 输出的频率。 由0 ：c o o t ，则在时差为a t 时，系统频率变化为 a c o k 。k d c a o a t( 2 - 1 3 ) 式中蛾为系统所用基准频率。 根据系统的频率变化，由式( 2 1 3 ) 即可求出超声波信号在顺、逆流方向 传播的时间差岔。 例如，当取= 1 0 m h z ，a t = 0 0 5 u s ，在k 。k 。= 2 x 1 0 4 时，系统的频率变 化可达1 0 k h z ，测时分辨率比改进前的时差法有明显的提高。 在该方法中，要将接收到的超声信号与发射信号同时送到v c o 输入端 进行相位差检测，所以要确定出接收信号的初始接收时刻。对接收初始时刻 的确定采用了传统的门限脉冲法，尽管提出使用脉宽检测方法降低接收端噪 1 3 堕塞互垫大堂堡主堂篁丝奎 声干扰，而且可根据发射信号的频率确定脉宽，但在实际中要确定一个幅值 不确定信号的相位并不容易实现。但该种方法的能否提高测时精度的关键就 是要保证发射信号和接收信号之间有一个固定的相位。 图2 1 1 0 双门限法原理 在这里，使用了双门限法保证接收信号的后沿完全固定到输入信号的后 沿。 双门限法原理如图2 1 0 所示，其中，a 为放大器，c o m p 为比较器，s w 电子 开关。在电子开关控制端为高电平时，1 端与2 端接通；为低电平时，1 端 与3 端接通。鉴别比较电平为k 的分压值，而s 。的后沿完全固定在s 。的后 沿，所以无论信号如何，都可得到接收信号的固定相位，如图2 1 1 所示。 图2 - 1 1 双门限法输入输出波形关系 利用双门限法，可以将接收信号的后沿固定到发射信号的后沿，提高了 测量精度，改善系统的可靠性与稳定度。 在该种测时方法中，采用双门限法将接收信号的相位固定以及利用锁相 环电路控制可以明显提高测时精度，采用自适应电平和脉宽检测可以很好的 降低干扰。尽管如此，由于对接收信号初始时刻的确定采用了传统的门限脉 冲法，还是不能很好地保证接收脉冲信号与发射信号之间的相位的固定，而 且使用该方法设计电路也较为复杂，系统成本高，可靠性低。本文提出的频 1 4 西安石油大学硕士学位论文 差相差一时差方法是专门用于超声波流量计中的测时方法，该方法就从本质 上摆脱了传统测时方法对接收时刻测不准的缺陷，明显提高了测时精度。 本章对超声液位计、流量计的测量原理的研究，以及对传统的测时方法 的优缺点的分析，为研究高精度的测时方法打下了坚实的基础。 第三章频差一相差一时差测超声波传播时间的方法 第三章频差相差时差测超声波传播时问的方法 3 1 频差一相差一时差的时间测量方法的原理 设所发射的超声波信号的形式为 s 0 ) t a s i n ( c o o t 十口) 0 t s t ( 3 一t ) 所发射的超声波信号经过一定的时间后到达接收传感器，相应的接收信号为 r ( r ) = b s i n ( a , o ( t + f ) + 曰) + n ( t ) 0 s t t ( 3 2 ) 为了便于理解，不妨将发射信号与接收信号记分别改写成如下形式 s ( f ) 一a s m ( c o o t )( 3 3 ) r o ) ；b s i n ( c o o ( t + f ) ) + n ( o( 3 4 ) 由超声波信号的传播的特性可知，接收到的超声波信号与发射信号相比 除了幅度有所不同及有一定的时间延迟外，信号特性并无变化，所以r ( f ) 可 以分解成如下形式 ，( f ) ；b s i n ( c o o ( t + f ) ) + ，z ( f ) t b s i n ( c o o t + f ) + n ( o b s i n ( c o o t + o ( n t o 十a r o ) ) + ，l o ) 毒b s i n ( c o o t + c o o n t o + 国o a r o ) + n ( f ) 即有 r 。瓦十瓦( n = 0 ，1 ，2 ，)( 3 5 ) 其中：n 为超声波传播从发射到接收所经历时间与信号周期的比值，即整周 期传播的个数：t o 为发射信号周期；a t 为不足整周期的传播时间，它与相 位差角p 和发射信号周期的关系为 r ：昙r ( 3 - 6 ) 2 丌 在进行流量测量时，在顺流方向上发射连续的超声波信号，信号频率为 ，则可知周期瓦= 1 厂0 。在确定接收端接收到超声波信号，并且振荡稳定 后对发射信号与接收信号同时进行采样，利用相位检测电路可测得发射信号 和接收信号相对于参考信号的相位差，得到发射信号与接收信号的绝对相位 差，再根据式( 3 6 ) 可得到接收信号中不足整周期的传播时间a r o 。 堕窒互垫大堂堡主堂垡堡奎 在式( 3 5 ) 中，由于未知所以传播时间r 也未知，但若再根据，0 频率的 发射信号与接收信号间的相位差大小再发射一个与，o 频率相接近的频率为 ，l 的信号，使得发射信号与接收信号间的整数波形的个数不变，仅相位差不 同，即可由两组方程求得发射信号与接收信号问的整周期个数和信号的传播 时间。 r r l o = 。 n q t o + + a a t 五o ( 3 - 7 ) 在式( 3 7 ) 中，由于频率，0 、 已知，所以瓦、墨己知：瓦、蝇可通过 相位差检测获得；又因为尽管所发射的超声波信号频率不同，但超声波信号 在同一液体中等距离的传播时间不变，即t ；又有m = n 。所以由式( 3 ，7 ) 可解得超声波信号在顺流方向上从发射端到接收端的整周期传播个数n 与 传播时间r 。 在逆流方向上的传播时间可同理获得。 3 2 误差分析 由式( 3 5 ) 和式0 6 ) 可见，对于超声信号传播时间可用频率和相位表示成 r 一肌 荔0 号( 3 - 8 ) 由误差合成公式可得 扣詈v + 竺o o 伽( 3 - 9 )a f 。 将( 3 8 ) 代入上式整理得 c + 声蛳刍伽 在通常条件下远远大于昙，所以上式可简化为 r 一幸。，+ 面1 础( 3 - 1 0 )f i 2 砑 西安石油大学硕士学位论文 由式( 3 1 0 ) 可见，利用该种方法进行时间测量时，影响测时精度的因素 主要包括以下几方面：频率r 大小、n 值以及频率误差和相位误差。其中： 频率r 的大小取决于所使用的超声换能器的中心频率；n 值的大小取决子超 声波传播距离；频率误差由系统实现电路决定；相位误差由相位检测精度决 定。 实际应用中，若选择的超声换能器的中心频率为i m h z ，则发射信号频 率也在1 m h z 左右，在超声波传播距离为0 2 m 时，在超声波传播速度取 1 5 0 0 m s 时，n ：1 3 3 ，在频率误差为o 1 h z 时，可得式( 3 1 0 ) 中前一项引入的 误差仅为o 0 1 n s 。对于式( 3 1 0 ) 中的后一项，在相位检测误差为o 1 。时，引入 的误差为o 3 n s 。可见，相位检测精度的高低是影响整个时间测量精度的关键， 所以有必要研究高精度的相位检测方法。 3 3 相位差检测方法“1 “3 在进行相位的检测时，由诸多因素影响使得相位为一个随机变量，所以 可采用最大似然估计方法进行相位检测。 设信号的形式为 s ( f ，口) = a s i n ( r o o t + 口) 0 t t( 3 - 1 1 ) 其中：振幅a 和频率已知，相位0 是待估计量。观测信号为，0 ) ，则相位目 的最大似然估计为 j ：j r ( 0 一a s i n ( r o o t + o ) l a c o s ( r + p ) 出b 刺。0 ( 3 _ 1 2 ) 的解。利用s i n a c o s a = 互1 s i n 2 n ，则得 fr ( f ) c 。s ( 咄+ e ) a t 一智s i i l 【2 ( t 删】毋h ( r ) 一o ( 3 - 1 3 ) 当c o o t = ，z 疗，n = l ，2 ，或t ，1 时，上式中第二项积分等于零或近似等 于零。因此，相位估计的方程为 f r ( f ) c 。s c o o t + 龟，( r ) 坤= 0 ( 3 - 1 4 ) 西安石油大学硕士学位论文 展开余弦项，得 c 。s 屯。p 培r ( r ) c 。s m o t d t ；s i n 屯p 塔r ( f ) s i n 删。t d t 从而得0 的最大似然估计量为 吼，( ，) =a 一瞎1( 3 - 1 5 ) 利用该种测相位估计方法可以将信号传播过程中引入的噪声影响在积 分过程中部分被抵消掉，所以在信噪比较低的情况下也能达到较高的测量精 度。但该方法对发射信号发射频率精度要求较高，发射信号频率的精度高低 直接影响着测量结果的精度；另一点就是在设计电路时，要求有存储器来存 放正、余弦查询表，甚至还可能要加存储正切值的查询表，需要大量的存储 空间。 基于以上的问题，本文中研究了另一种可以用于高精度检测相位的方 法，在这里把它称为整周期积分法。该方法的理论推导如下 设发射信号的形式为 s o ，秽) 。a s i n ( r _ o o t + 口) 0 t t( 3 1 6 ) 接收信号为与发射信号同频但幅度和相位不一定相同的信号，设接收信 号为 r ( t ，占) t b s i n ( t o o t + 妒) 0 t t( 3 - 1 7 ) 发射信号与接收信号的积在整周期上的积分为 j ：s ( 口) r ( ，力疵一上a b s i n ( r o o t + o ) s i n ( r o o t + o ) d t = f 一三1 a b ，和s ( 2 a o f + 护+ 妒) 一o o s 一们弦 一扣j 1 a b c o s ( c o2 c o o r + 0 埘m r 丢a b 侧c o 臼- r p ) d t 上式中，第一项在0 t 整周期内的积分恒为零，所以 1 9 西安石油大学硕士学位论文 j ：砸，畛也妒) m ；j 丢a 1 1 c o s ( 口一州r = 譬小c o s p 一妒) 、。7 即有 f os ( t , o ) r ( 舻等一争们 ( 3 1 8 ) 臼一伊= a r c c 。s 丽2 ，r s ( f ，秽) ，( f ，伊) ( 3 - 1 9 ) a 广_ 、，i ( t ) r 一_ 1 、l ， 皿v o b 卜( t ) 夸 设在阻抗测试电路输入端所加信号v ( r ) 为 v o ( 垆煮怒删 ：_ j 【_ 一a s i i l ( 埘+ 口) 1 + j a , c r 、7 西安石油大学硕士学位论文 = 雩竺三! 兰警a s i n ( c o t + 臼) 1 + ( 诎求) 2 = f ：警( c o s d p s m ( o t + 回一s i n q ，c o s ( c o t + 口) ) 1 十( 规i r ) 2 ：了垒焉，s i n ( c o t + 口一p )( 3 2 1 ) 1 十( d 艘) 2 由对阻抗测试电路的分析可得出结论：阻抗电路输入信号与电容分压信 号为同频、不同相的信号，这和超声波发射与接收信号关系相同，所以可以 用于仿真超声波发射信号与接收信号之间的关系。 采用如图3 - 1 的实验电路，利用两种测试仪器对电路中的电容分压进行 了两组试验。 3 4 1 数据采集与相位测量 仪器：t d s 3 0 5 4 b ( 泰克)时间：2 0 0 3 年6 月1 8 日 t d s 3 0 5 4 是由美国泰克公司生产的1 0 0 m h z 的数字荧光示波器，它可以 利用两通道对输入的信号同时进行采样，最大采样点数为1 0 万点。利用 t d s 3 0 5 4 对电容与电阻构成的串联电路( 如图3 1 所示) 的a 、b 两点同时采 样，利用上面提出的两种方法在m a t l a b 平台下对t d s 3 0 5 4 仪器采样的 数据进行处理，计算出a 、b 两点测得电压信号的相位差如表3 1 所示。 其中，相差l 、相差2 、相差3 分别为不同时刻采样结果计算所得相位 差，单位为度。 表3 - 1r c 串联电路相位差试验结果 频率( h 2 )采样率( s p s )采用方法相差1 ( 9 )相差2 ( 。)相差3 ( 。)平均值 方法一 o 9 8 2 80 9 9 4 51 0 0 0 20 9 9 2 5 1 k1 0 k 方法二 1 4 2 8 61 4 3 2 31 4 4 0 21 4 3 3 7 方法一 8 8 6 7 28 9 3 6 48 8 8 7 18 8 9 6 9 1 0 k1 0 0 k 方法二 8 9 3 0 18 9 9 9 38 9 5 0 28 9 5 9 8 方法一 5 6 3 9 3 65 6 4 0 ( ) 55 6 3 8 5 45 6 3 9 3 5 1 0 0 k1 m 方法二 5 6 4 0 3 25 6 4 0 8 35 6 3 9 5 15 6 5 8 7 5 方法一 8 3 ，0 7 2 58 3 ，0 6 4 58 3 1 0 9 58 3 0 8 2 1 1 m1 0 m 方法二8 3 0 8 8 l8 3 0 8 3 88 3 1 3 3 3 8 3 1 0 1 7 方法一 8 0 9 2 2 88 1 0 2 6 9 8 0 6 7 8 0 8 0 8 7 5 9 5 m5 0 m 方法二8 1 1 8 4 38 1 3 0 5 28 1 0 0 9 8 8 1 1 6 6 4 西安石油大学硕士学位论文 从表3 - 1 可以看出，两种相位检测方法所得相位值较接近，第一种方法 计算所得值普遍小于第二种方法所得值，实验结