對超聲波氣體流量檢測主流方法( Z 型時差法、V 型時差法和平行相關法) 的優缺點進行了分析，提出了一種 λ 型互相關時差法超聲波流量檢測方法。該方法采用兩對換能器，一對垂直中軸線安裝，另一對與中軸線成 θ 角安裝。同側換能器同時在相同介質中發射相同波形，傳播不同行程后查找互相關性，計算相對時差，根據順流和逆流時差計算流速和流量。試驗表明，λ 型檢測方法的示值相對誤差小于 0． 05% ，是一種精度高、簡單、實用的超聲波流量檢測方法。

0.引言

超聲波氣體流量計的起源可以追溯到 20 世紀70 年代，其憑借準確度高、重復性好、無可動部件、本體無壓損和適合于大口徑、大流量計量等優點異軍突起。在工業應用中較為廣泛的超聲波氣體流量主流檢測方法分別是 Z 型時差法、V 型時差法和平行相關法。。Z 型時差法的優點  是具有信號檢測功能、安裝簡單等; 缺點是測量對象是時間，電路延時、接收波形判決、雜質、環境干擾和電磁輻射等因素都會影響測量精度。V 型時差法具有單側安裝、行程長等優點; 但具有要求管壁內側光滑、信號衰減大、管道壁厚形成偏差等缺點。平行相關法 的優點是不受電路延時、相同干擾的影響; 缺點是接收端對信號幅度敏感、工作持續時間長、功耗大。針對這三種主要的測量方法，提出了一種結合三種方法優點的 λ 型互相關時差法。

1.λ 型理論模型

1． 1 λ 型安裝模型

在過管道中軸線的同一平面( 實際上 AB 和 CD 兩條中心連線只需要和管道中軸線相交，可以不在同一平面上) ，共安裝有 4 只收發一體超聲波換能器，管道剖面圖如圖 1 所示。兩對超聲波換能器安裝形狀如字母“λ”，A、B 為一對，C、D 為一對。A、B 分別垂直于各自管壁，AB 中心連線交叉且垂直于管道中軸線安裝，C、D 分別與管壁成 θ 角。AC 中心距為 d1 ，BD 中心距為 d2 ，CD 中心連線與管道中軸線交叉且成 θ 角( 0° ＜θ ＜ 180°且 θ≠90°) 安裝。

1.2． 2 λ 型基本理論分析

假設該管段的前后直管段長度足夠，滿足流場充分發展管道 的條件，流速方向和管道中心軸線方向平行。

1． 2． 1 AB 線垂直于流速方向

A、B 分別垂直于各自管壁，AB 中心連線交叉且垂直于管道中軸線安裝。氣體在充分發展管道中流動時，流速方向和管道中軸線平行，因此流速方向和換能器 AB 的中心連線相交且垂直，流速v與 AB 連線上超聲波傳播速度v超 ( 無論是 A→B 還是 B→A 傳播方向)滿足矢量正交條件。

1． 2． 2 超聲波傳播速度一致

AC 中心距為 d1 ，BD 中心距為 d2 ，d1 和 d2 數值較小。 AB 和 CD 中心連線在同一段管道內并且距離近，介質、溫度、流場等條件基本一致。抽象出理論模型時，可以認為超聲波在 AB 和 CD 中心線上傳播速度保持一致。

1． 2． 3 正向逆向傳播距離不變

在圓形管道或其他呈現中心對稱形狀的管道充分發展流中，橫截面上的流場分布呈現中心對稱的規律。換能器 AB 和 CD 中心連線無論是正向傳播 ( A →B、 C→D) 還是逆向傳播( B→A、D→C) ，經過流場時的特性相同，正向和逆向傳播距離保持不變。

2.λ 型檢測法

2． 1 互相關法檢測時差

發射信號 s( t) 經過不同的傳播途徑 L1  和 L2  到達接收端，分別形成接收信號 Ｒ1 ( t) 和 Ｒ2 ( t) ，在有效的時間區間［t0 ，t0 + T］內，對 Ｒ1 和 Ｒ2 進行互相關運算。

2． 2 互相關法檢測順流時差

如圖 1 所示，換能器 A 和 C 作為發射端，換能器 B和 D 作為接收端。超聲波在管道內傳播速度為 c，管道直徑為 D，換能器 CD 中心線長度為 L，它和管道中軸線夾角為 θ，管道中氣體流速為 v。超聲波沿 A→B和 C→D 兩種不同途徑傳播時，A→B 的傳播方向和管道內氣體流速方向垂直，氣體流動速度在 AB 中心線上無正交分量，超聲波在 A→B 的傳播時間為 Dc ; C→D 的傳播方向和管道內氣體流速方向夾角為 θ，氣體流動速度在 CD 中心線上分解分量為 vcosθ，超聲波傳播方向為順流方向，在 C→D 的傳播方向上合成速度

2． 3 互相關法檢測逆流時差

如圖 1 所示，換能器 B 和 D 作為發射端，換能器 A和 C 作為接收端。超聲波傳播途徑 B→A 和 D→C，與順流不同的情況是，D→C 超聲波傳播方向為逆流方向，在 D→C 的傳播方向上合成速度為 c － vcosθ; 超聲波在 D→C 的傳播時間為

2． 4 λ 型檢測方法

經過以上分析，管道流速 v = f( D，L，θ，c， t1 ， t2 ) 是 AB 中心線長度( 管道直徑) D、CD 中心線長度 L、CD中心線與管道中軸線夾角 θ、超聲波在管道中的傳播速度 c、順流時傳播時差 t1 和逆流時傳播時差 t2 的函數。D、L、θ 三個參數都和管道自身、超聲波換能器安裝有關，在安裝工藝環節控制; t1 、 t2 是實際測量獲得; c 受介質、溫度的影響較大，需要溫度等因素進行修正和補償，會影響測量效果，根據順流和逆流兩種情況得到的函數關系式，可以消除 c 這個因素。由式 ( 1) 和式( 2) 聯立求解，介質中超聲波傳播速度 c 如式 ( 3) 所示，管道中氣體流速如式( 4) 所示。

3.λ 型檢測方法優缺點

3． 1  消除介質和環境因素影響

型檢測法采用相同波形同時在相同介質中傳播不同行程，查找接收信號的互相關性。雖然信號在傳輸過程中會受介質和環境因素影響發生畸變，但兩路信號在相同的介質和環境中發生畸變的情況相似。保持彼此間的相似性，接收端的***大互相關檢測就不受影響。

3． 2  降低接收端判決要求

平行安裝法的接收端互相關檢測是在持續波形中找到介質隨機調制的相似性，信號幅度變化是個敏感量，判決要求高。對于 λ 型檢測法，接收信號是一個時限信號，只需要在接收端檢測有信號時兩者互相關的***大值即可，同時還可以調節安裝角度 θ，增大行程差，增加接收信號的時差，降低接收判決的困難程度。

3． 3 避免測量時間

超聲波信號的“拖尾”現象，決定了接收端是一個持續一定時長的多周期信號，能否準確定位接收信號的接收時刻會影響測量的時間。同時，超聲波換能器的壓電轉換慣性遲滯和電路延時也會影響超聲波

傳播時間的測量。

λ 型檢測法采用相同的超聲波換能器、相同的發射信號、相同的管段、相同的介質和不同的行程，用***大互相關法檢測兩種情況下的相對時差。一方面測量相對時差消除了超聲波換能器和電路固有時延的影響; 另一方面接收端直接計算兩個接收信號的互相關***大值，不需要準確定位某個接收信號到達的時刻，減少了測量傳播時間的影響因素。

3． 4 避免反射衰減

對于 V 型互相關檢測法，其采用超聲波反射方式，依賴于流量管道內壁的反射系數，并且行程長、衰減大。λ 型檢測法采用對射技術，對流量管道內壁的反射系數沒有要求，行程短、衰減小。

3． 5 增加硬件成本

相比 Z 型時差法和 V 型互相關超聲波流量檢測方式只用一對超聲波換能器，λ 型檢測法采用兩對超聲波換能器，在硬件上需要增加一對超聲波換能器。

相比 Z 型時差法直接判決接收信號的到達時刻，λ 型檢測法接收端采用高速數據采樣進行***大互相關檢測，硬件成本也會增加。

3． 6 增加軟件復雜度

λ 型檢測法接收信號進行互相關檢測時，不同管徑、不同流速和不同精度對互相關算法數據量的多少和處理要求都不一樣，整體比 Z 型時差法、V 型和平行安裝的互相關檢測法復雜程度要高。

4.實驗驗證

在兩條滑軌的夾具上固定 2 對相同型號的超聲波換能器，放置到風洞中，改變流速和換能器之間的距離，用實時采樣速率為 200 MS /s 的泰克示波器( 型號:TDS2022B) 測試接收端波形時差，數據如表 1 所示。

由表 1 可知，在***嚴酷的小管徑低流速測試條件下，計算結果誤差小于示值的 0． 05% ，完全可以滿足超聲波氣體流量計相關標準要求 。

5.結束語

本文分析了超聲波氣體流量主流檢測方法 Z 型時差法、V 型反射和平行安裝互相關檢測法的優點和缺點，并針對各自的缺點，結合它們的優點，提出了一種全新的 λ 型檢測法。λ 型檢測法采用兩對超聲波換能器成 λ 型安裝，采用對射方式。接收端判決采用***大互相關算法測量順流和逆流相對時差，避免了反射方式信號衰減大、測量時間影響因素多、接收信號持續存在檢測調制相關性要求高等問題。***后經過實驗驗證，λ 型檢測法是一種測量精度高、簡單、實用的超聲波氣體流量計檢測方法。