兰州理工大学电信学院毕业设计说明书
t1?dcos???0 C?vsin?dcos???0
C?vsin?2dvtg?
C2?v2sin2? t2? ?t?t2?t1? 在一般工业测量过中，超射波在液体中传播速度（水中约为1450m/s）比液体的流速大得多，即C2?v2sin2?,所以顺逆流时间差?t?t2?t1可化简为:
?t?t2?t1?2dvtg? 2C 因此，时差法超声波流量计的基本方程可以写为：
C2?t v?2dtg? Q??d24v
2.4 提高测量超声波传播时间精度的方法
由上节时差法超声波流量计的基本原理我们可以看到，时差法超声波流量计 的测量精度与超声波传播时间的准确测量密切相关。只有在既能稳定、准确地测 量传播时间又能有效地对顺、逆流传播时差进行计算的前提下，才谈得上测量精 度。但是，在错综复杂的工业现场，接收的信号常常伴随着各种外来干扰，如流 体介质中的杂质颗粒和气泡等产生的干扰，特别是来自外界的电磁干扰等，这些 干扰信号成为准确测量超声波传播时间的主要障碍。因此，如何确保超声测时的准确性以及选用何种方法计算时差成为时差法超声波流量计测量的关键，为此人们常在测量回路上采取一些措施，常见的方法有：
2.4.1 阀值法
设置阀值，当接收信号高于阈值时，即认为信号到达，一般采集信号的第2个峰值（如图 7），然后减去一个周期，所得结果为信号的传播时间。这样处理存在以下弊端：
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图7 接收示意图
1) 信号在流体中传播时，其强弱容易受到流体中的杂质、气泡等诸多因素的影响，产生反射、折射、吸收等现象，使得超声波能量衰减不一，阈值电压难以设定：
2) 阈值电压设定后，当接收信号强弱变化时，就可能会使第一个波形超过阈值电压而被接收，误当作第二个波形处理；或者当第三个波形来到时才高出阈值电压而被采集，这样会严重影响流量计的精度；
3) 实际采集信号时，常常是选取波形上升沿的某个位置，如图7所示，这样实际采样点与信号达到时刻相差不是一个整周期，这样即便是减去一个周期的时间，测量值还是存在明显的误差，尤其是频率比较低时上升沿的坡度变得缓慢，误差也会随之加大；
4) 由于阈值选定，就对信号的放大倍数提出了一定的限制，不能过高或者过 低，所以当电路受到外界环境的影响（比如温度变化等）使得接收信号的强度发 生变化时，直接影响检测的波形，导致测量不准确。
2.4.2 设置接收窗口
一般测量传播时间，都是以收到的的第一个接收波作为计时开关信号的。从 发射超声波脉冲起至接收到第一个波为止的时间间隔内，由于接收门一直敞开着，外界各种干扰信号都很容易侵入，从而影响测量的稳定性。克服此弊病的最有效方法是设置一个能跟踪目标的窗口，在此窗口内接收门是打开的，除此之外，门一直是关闭着，可以有效的防止干扰信号的侵入。但设计此窗口宽度时，必须考虑介质温度变化所引起的声速变化以及环境温度对电子元件参数影响等因素。
2.4.3 PLL锁相回路法
在超声波流量测量中，传播时间只有几百μs，用一般计时脉冲（如1MHz）来计时是不能满足要求的。为了达到1ns的分辨率，往往需要1000MHz 计时脉
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冲，并且相应的要提高各种门电路的开关速度，这是不现实的。采用锁相技术可以解决这一问题。
PLL锁相回路的基本原理如图8所示，设置一个电压控制振荡器VCO，同步信号发生器使发射器激励换能器，发射超声波脉冲，同时使计数器开始计数VCO的频率，在时间差检测回路中，计数终了信号N/f与超声波在介质中传播时间进行比较，时间差信号被变换成电压后去调节VCO。在闭合回路达到稳定状态时，时间差信号为零，t=N/f。这样的调节每秒可以进行数百次，故响应较快。但是 PLL锁相回路没有从本质上解决由于设定阈值而带来的误差问题。
图8 锁相回路工作原理
2.4.4 自动增益控制
利用自动增益放大控制电路，在每次测量结束后，根据接收信号的强度自动调节接收机增益。若检测到噪声或输入信号太强则调小增益，如果输入信号太弱且噪声级很低则调大增益，仪器将新的自动增益设置值作为在下一次测量中的增 益初始值。自动增益控制电路保证了每次检测门槛的精确性。
2.4.5 双触发回路
所谓双触发回路就是预先设置两种不同的触发电平，当接收波形变化时，改变触发电平，自动选择最佳触发电平来检测时间。如图9所示，通常以L电平来检测时间（见实线部分），在稍许高的电平上预设H电平，当波形变化时（见虚线部分），若继续在L电平上触发，就会引起误触发，产生时间检测误差。此时可改用H电平触发，即由第二个波触发变到第三个波触发。如果能引入第二个波与第三个波元时间差的时间补偿，测得传播时间的绝对值也就不变，待接收波恢复，再返回到用L电平触发。
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图9 双触发原理图
由于双触发回路中包含有误触发检测回路、触发选择回路和延迟时间补偿回路等，因此它增加了硬件电路的复杂性。
2.5 超声波流量计的修正
2.5.1 流速的修正
在上文讨论的时差法超声波流量计中，我们所提到的流速v都是理想状态下沿管道截面平均分布的面平均流速，在实际情况中，由于管道截面上流体流速的分布不均匀，通过式计算得到的流速v并不是要求的横截面上的流体平均速度
VdVd，它实际上是超声波信号穿过流体所测得的沿超声波传播路径上的线平均流与v的关系，也就是利用流体力学原理加以修正，即在上面的公式中加入流
速，用它进行流量计算势必会产生误差，所以要保证测量的精确度则需首先确定量修正系数 K，即体积流量Q为：
v?d2 Q??
k4 式中，K为流速分布修正系数，即管道中流体线平均流速 v 和面平均流速
Vd之比；
但是由于管道流体流速分布规律的极其复杂性，人们对流体流速分布规律的
研究仅限于理想管道流,即光滑层流条件下的流体流速分布规律和光滑紊流条件 下的流体流速分布规律。
层流和紊流是流体流动的两种状态。流速较低或管壁粘性较大时，流体流动的状态是平滑的层状流动，主要是轴向的运动；流速较高或管壁粘性小时，流体质点呈杂乱不规则的流动，即紊流，此时管内流体的流动不仅有轴向的还有横向的。两种不同流动状态对应着管内的速度分布也不同。层流状态下的速度分布形式为抛物线状，而紊流状态下流速以管道轴线为中心呈对数曲线对称分布，即管道内的速度分布趋于平坦，因此紊流状态的速度分布比层流状态的速度分布均匀
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得多，超声波流量计也更适合在紊流状态流体中应用，以减少由于流速分布不均匀带来的误差。根据流体力学可知，雷诺数 Re 是流体流动状态的一个判断依据，一般认为，Re=2300 可作为流体从层流状态到紊流状态的临界判断，其计算公式如下：
Re??vD ? 式中v 为流体的平均流速，D 为管道直径，?为管道中流体的运动粘度，
?为流体的密度。
1) 当 Re<2300 时，流体流动为层流状态，管内流体流速分布为:
r v(r)?vmax[1?()2]
R 式中，vmax为管道中心处的最大电流； R为管道半径；
r为与管道中心的径向距离。
那么，在层流状态下，vmax与v的关系为：
RR2v[1?(rR)]max?0v?2?vrdr02R?R2?vmax 32) 当 Re>2300 时，流体开始向紊流状态过渡，通常介于层流和紊流之间的状态也作为紊流状态处理，管内流体流速分布为：
r v(r)?vmax(1?)1n
R 式中，n随Re不同而变化的系数，其值见表1所示： Re n 4.0*103 2.0 2.3*104 2.6 1.1*105 7.0 的关系
1.1*106 8.8 >2.4*106 10.0 表1 n与Re 那么，在紊流状态下，v与vm的关系为：
RR1n(1?rR)dr?0 v?2?vrdr02R?R?nvmax n?1 而我们所需要知道的是管道截面上的平均速度vd，同样利用前面公式，可知层流状态下vd与vmax的关系为：
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