0 引言
超声波流量计是将超声波传感器夹装在被测管道的外侧，利用超声波信号在流体中传播时所载流体的流速信息来测量流体流量的。它安装方便，不影响流体的流动状态，测量范围宽、精度高，特别适用于大口径管道流量和有毒、腐蚀性、易燃、易爆及含有放射性物质等流量的测量。超声波液体流量计按测量原理分类有时差法、多普勒效应法、相关法、噪声法、波束偏移法。其中，时差法应用最为普遍。
时差法超声波流量计主要应用于单相液体的测量，适用于测量的管径从几厘米到几十米，应用范围很宽。国内外目前都有时差法超声波流量计在工业中应用，从应用效果看，精度和稳定性受安装环境和角度影响较大。这主要是因为目前时差法超声波流量计测量的2个关键问题在于对于回波波形的识别和时差的精确检测[1]。对于回波的检测一般采取包络线检测和门限电平2种方法。而且，准确判断回波的峰值点非常重要，如果相差一个波峰，结果出来的流量就会有很大的误差。因此，门限电平的检测和波峰的判断直接影响到流量计的精度和工作的可靠性及稳定性。
为进一步提高超声波的测量精度和工作的稳定性，本文考虑对超声波的回波进行数字采样，通过对回波的数字信号处理来准确提取上下回波的时差信息。这样，检测的精度与整个波形的分析有关，避免了对回波的几个关键电平和波峰过分依赖，检测精度和稳定性得以稳步提高。
1 时差法实现原理
超声波流量计的时差测量法是基于超声波在具有流速的媒质里传播时，其传播时间（速率）会随着媒质流速的变化而变化这一原理来实现媒质流速测量的[2]。具体实现如下：
在流体流过的管道两侧斜向安装2个传感器A和B，使其轴线重合在一条斜线上，如图1所示。
由图1可知，当传感器B发射，A接收时，声波顺流传播，速度快、时间短，用公式表示为
[c+vcosα]tBA=L， （1）
当A发射而B接收时，逆流传播，速度慢、时间长，有
[c-vcosα]tAB=L， （2）
式中为两传感器问的传播距离，m；c为超声波在静止流体中的传播速度，m/s；v为被测流体沿着管道方向的流速，m/s；tBA，tAB分别为超声波顺流和逆流通过管径的时间，s；α为A，B2个传感器连线与管道流速之间的夹角。
由式（1），式（2）得
（3）
设管道的直径为D，则有
D=Lsinα. （4）
于是，有
（5）
式中D为管道直径；α为可以直接测量得到的参数，均为常数，因而k为常数。所以，只要能够通过超声波流量计测量出时间tBA和tAB，便能得到管道中媒质的流速v。
2 超声波流量计数字化实现
2.1 数字超声波流量计系统组成
该超声波流量计系统由CPU控制电路、DSP数字处理电路、数字采样前端输入电路、脉冲信号发生电路、时钟电路以及通信接口电路等组成，如图2。
数字超声波电路的核心是通过波形采样接收电路对接收到的波形进行数字采样，然后，通过DSP进行数字信号处理，提取出超声波顺流和逆流通过管道的时间tBA和tAB，从而计算出管道的流量。
数字超声波系统中，脉冲输出电路按一定规律输出周期序列的电脉冲，并通过转换变成周期相同的连续正弦波，作为测量流量的发送信号波序列。
波形采样接收电路则是不断采样接收从发射端传过来的超声波，并对采样得到的信号进行放大和数字化，同时，将数字系列不断传送给DSP处理器进行数字信号处理。
DSP数字处理电路按照设计的一些信号处理算法提取出所需的时间参数tBA和tAB，并计算出管道的流量值。
CPU控制电路则作为整个流量计系统的核心，控制和协调各电路的运行，并提供系统显示和通信等功能。通信模块电路则提供流量计与其他系统的接口功能。
2.2 波形数据分析处理
数字超声波流量计的核心工作是对接收端所接收到的数字信号进行数字信号处理。
通过数字信号处理，需要解决2个问题：
（1）如何确定是否完成最后一个波形的采样，从而确定停止采样，进而完成一个采样周期；
（2）从采样所得到的波形序列数据中，如何提取超声波经过管道的时间tBA。
2.2.1 波形序列的判断
设波形序列中每个波形的周期为T，采样周期为Ts，每个波形周期采样N个数值点（显然有T=N•Ts），并对该采样数值序列标记为：y（i），，i=ts，ts+l，…，ts+N-l；其中，ts为一个采样周期的起始采样点标记时刻。
定义
（6）
显然，可以通过选取不同的tss来左右移动Y（T）选择N个数值序列的窗口。即tss=tss-l，则Y（T）窗口向左移动一个点；tss=tss+l，窗口向右移动一个采样数值点。
理论上讲，当接收端没有接收到波形时，y（i）=0（i=tss，tss+l，…，tss+N-1），因此，必有Y（T）=0。考虑实际干扰的因素，可以选取一个阈值m，Y（T）<m时，表示接收端没有采样接收到波形。
发送端没有发送波形时，接收端必Y（T）<m（m 为一个恰当的正常数）；当发送端开始发送波形时，波形并不会立即到达接收端，此时，仍有Y（T）<m；当发送的波形到达接收端后，有y（i）≠0，并逐渐开始使得y（T）≥m。
一旦满足条件Y（T）≥m，可以判定接收端在采样接收波形序列的第一个波形。在确定接收到了波形序列的第一个波形以后，由于波形的周期是一定的，所以，可以在n个波形周期后，停止采样。这样保证了全部的n个波形的数据得到了采样接收，没有被遗漏。
2.2.2 tBA和tAB时间的提取
通过前面的波形序列的采样分析，已经可以保证n个波形序列的数据可以被采样和分析。现在要解决如何在这些波形数据中提取参数tBA。
（1）提取原理
设发送端的单个波形函数为
x（t）=sinωt. （7）
在接收端，一般地可以将接收到的单个波形表示为
y（t）=Csin（ωt+φ）
式中0≤φ<2π，C为正常数，即波形从发送端到接收端的衰减系数。令
（8）
式中当且仅当φ=0时，其值F（T）最大。
根据这个结论，可以在接收端通过做相关运算来确定接收到的周期波形数值序列的初始相位值，从而获取tBA。
（2）具体步骤
a.在发送端发送波形时，采样一个完整的波形（正弦波）存储于内存中，即将采样序列x（i）（i=1，…，N）保存在内存中；
b.在接收端，当Y（T）≥m时，开始采样记录数据，并做运算，即
（9）
其中，假设ts为接收端接收到第一个波形信号的第一个采样时间点。将该时刻记作tt0，并保存在内存中；
c.分别令ts=ts+j（j=1，…，N-1），分别计算F（T），从而得到N-1个不同的F（Tj）（j=1，…，N-1）；加上b步得到F（T0），共有N个不同的F（T）；
d.令FM（T）=max（F0（T），F1（T），…，FN-1（T）），并假设FM（T）=Fl（T），l表示ts=ts+l时，F（T）取得最大值。可以判定，FM（T）所对应的N个接收端的采样数值序列是一个具有零初始相位的波形数值序列。因此，可以得出结论：若l=0，则可以判定，tt0时刻采样得到的点是接收端接收到波形序列中的第一个波的第一个点；否则，则是第一个波形的第N-l个点；
e.根据d步的结论，可以得出
tBA=tt0-t0-（N-l）Ts，l≠0， （1O）
或tBA=tt0-t0，l=0， （11）
式中t0为发送端开始启动发送波形的时刻；tt0为接收端判断Y（T）>m时，开始进行数据采样处理的时刻；N为一个单波形周期的采样点数。
3 实验测试
将数字超声波流量计置于某计量研究所的流量标定系统中进行测试，结果对比见表1。
表1 数字超声波流量计和标定系统流量检测实验结果对比
时间（min）
1
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
标定
系统（m3/s）
5.12
5.28
5.19
5.34
5.29
6.17
6.19
6.23
4.56
4.54
4.55
4.70
4.68
数字超声波流量计（m3/s）
5.00
5.22
5.17
5.30
5.31
6.16
6.22
6.23
4.50
4.52
4.54
4.71
4.66
从表1可以看出：数字式超声波流量计的精度接近0.1%。
4 结论
数字式超声波流量计有以下优点：
（1）已有的超声波流量计依赖于比较电路对接收信号触发电平值的判断和设置，其精度等受到一二个关键电平值的影响；而数字式超声波流量计不再依赖于几个关键电平，而是对整个波形序列进行信号处理，对波形的起点、终点或峰值点的判断不再重要。因而大大降低了数字式超声波流量计的设计难度；同时，也提高了数字式流量计的测量精度和可靠性；
（2）由于数字式超声波流量计依赖于整个波形序列的数据处理，所以，可以很好地通过数字滤波算法将干扰剔除，具有很强的抗干扰能力。
参考文献：
[1] 李广峰，刘坊，高勇.超声波流量计的高精度测量技术[J].仪器仪表学报，2001.22（6）：644-647.
[2] 王立琦，王珍.高精度超声波流量计的研制[J].哈尔滨商业大学学报，2001，17（3）：47-49.
