本文提出了一种新的改进的水流计量方法。它适用于运输时间超声波流量计装置。原则上，通过测量超声波在上游和下游方向上的传播时间来获得管道中给定液体的流动。理论上，这些时间之间的差异与液体流速成线性比例。然而，流动越小，传输时间差（TTD）越小。该差异可以低至几皮秒，这在以给定精度测量这种小时间差时引起许多技术困难。所提出的方法依赖于通过计算上游和下游方向上的接收信号的稳态部分之间的相位差并且通过使用最小二乘正弦拟合技术来间接地测量TTD。这降低了抖动噪声和偏移的影响，这限制了在非常低的流速下的测量精度。获得的测量结果说明了所提方法的稳健性，因为我们在无流量条件下测量TTD，在室温的温度范围内，峰 - 峰精度低至10 ps，TTD偏移为零到80°C。与以前的技术相比，这使我们能够达到更小的最小可检测流量。所提出的方法在测量精度和系统复杂性之间表现出更好的折衷。
1.简介
水流量测量在国内经济部门中通常至关重要[ 1]。因此，在任何情况下都必须准确地测量通过管道的流量，以便获利而不是亏损。几十年来，超声波流量计已成功应用于工业应用。他们在广泛的计量应用中获得了认可，例如脏水或清洁水，石化产品和天然气。这是由于超声波流量计与传统仪表相比具有显着的操作和经济优势。在经济上，它们易于安装，价格低廉，并且需要比其他仪表（例如需要定期检查的机械流量计）更少的维护。操作上超声波流量计可以高度灵敏和准确，它们通常具有更宽的流速范围，良好的测量可重复性。
在这项工作中考虑的传输时间超声波流量计的基本几何结构包括两个同轴安装的传感器，
换能器被已知距离L隔开并且彼此面对，使得可以从任一个发送超声信号并且由另一个检测到它的到达。当压电晶体受到交流电压时，该信号由压电晶体产生; 相反，当超声波信号撞击换能器时，压电晶体产生电压。超声波信号可以在流动方向（下游方向）和流动方向（上游方向）上穿过管道。它在流动方向上移动得更快，在流动方向上移动得更慢。两个传输时间之间的差异与流速成正比。这可以在数学上表达如下（更多细节见第2节）：
其中Δt是上游和下游行进时间t up和t down之间的差值，L是超声波行进路径的有效长度，c是给定声音的传播速度液体（我们的应用中的水）。
当测量管（静止水）中没有流动时，这些仪表的上游和下游运输时间是相同的，两个运输时间之间的差异应该可以忽略不计。这可能不是这种情况，因为传输时间可能受到抖动和偏移的影响。因此，上游和下游传输时间之间的任何延迟偏移都直接转换为零流量误差。该零流量偏移限制了低流速下的测量精度。该误差越小，流量计就越准确。
在文献中已经提出了几种方法来精确地检测超声波流量计的渡越时间差（TTD）。过零方法是常用的，包括检测上行和下行方向上接收信号的过零点。将这些过零点与上游和下游方向上的发送信号的相应过零点进行比较，并将该差值作为传输时间。基于这种方法，报告在无流量条件下测得的峰值抖动为80 ps，TTD偏移漂移约为25 ps。
据报道在无流量条件下测得的峰 - 峰抖动约为200 ps，TTD偏移漂移为-185.3 ps。他们的方法包括以超出其共振频率的特定频率驱动两个换能器，以消除共振频率的温度依赖性的影响。然而，该技术的主要缺点是由于在换能器的共振频率之外工作而导致的信噪比（SNR）的降低。
如前所述，超声波传输时间流量计面临的主要挑战是测量皮秒范围内的TTD。在我们的方法中，这是通过从上游和下游接收信号之间的正弦波激励的相位差推导出TTD来实现的。使用最小二乘正弦拟合（LSSF）方法估算相位差，这是一种非常精确的方法，用于估计表征数字化正弦信号的所有参数（幅度，相位和频率），在明确定义的情况下采样采样率[ 7，8 ]。
本文提出了一种基于超声波装置精确测量水流量的新方法。我们首先描述用于计算TTD的方法。然后，我们研究了抖动噪声对测量精度的影响，以及如何使用所提出的方法减少抖动和TTD偏移漂移。我们分析获得的测量结果并将其与理论背景进行比较。
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2.运输时间流量计原理
在称为渡越时间的时间间隔期间，超声波信号在流动方向（下游方向）和流动（上游方向）上穿过管道，以便被相对的换能器接收。假设v是在管的流速，上游和下游传播时间t 向上和叔向下由下式给出[ 9，10 ]
Ť向上= L.c - v
更多内容见下篇。
（2）
Ť下= L.c + v
（3）
从而，
TTD = Δ 吨= 吨向上- t下= 2 vLC2- v2
（4）
假设v 2 «c 2（流速v远小于声速c），
Δ 吨= 吨向上- t下= 2 vLC2
（5）
因此，
v ≈ Ç 2Δ Ť2 升
（6）
当管道中没有流动时，
Ť向上= t下= t0= L.C
（7）
在无流量条件下测量的Δt与行进时间t 0的比值由下式给出
Δ ŤŤ0= 2 vC
（8）
等式（8）可用于计算所需的测量精度。例如，对于给定的每小时2升（2升/小时）的流速和0.8厘米的管道直径计算的最小流速v min约为v min = 10 mm / s。因此，根据等式（5），该最小流速10mm / s产生约Δt= 380ps的TTD值，条件是所用流量计管的行进时间为28μs（对于L = 42.2mm计算）使用等式（7））。因此，为了达到5％的精度，所需的超声波流量计必须能够精确地测量至少20ps的最小传输时间差值。
更多内容见下篇。
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超声波流量计之传感器