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。
3.系统描述
实验中使用的系统的操作原理。为了使接收换能器达到稳定状态，振幅和频率都得到稳定，功能波形发生器Hameg HMF 2550在100 ms的时间周期内产生70个周期的正弦脉冲串的驱动频率，使得换能器以增强的SNR实现最大输出振动。
TTD可以从上游和下游方向上的接收信号的稳态部分之间的相位差推导出，其中可以使用Matlab的最小二乘正弦拟合算法来执行两个相位的估计。
φ 向上 =2πft 向上
（9）
φ 向下 =2πft 向下
（10）
其中，φ 向上和φ 向下是稳态区（期间测量的相移。图3分别在上游和下游方向）。在稳态区域中，接收信号频率f与强制频率（激励信号的驱动频率）匹配。因此，TTD可以从中计算出来
φ 向上 - φ 向下 =2πF（吨向上 -吨向下）
（11）
为了消除由于分别（顺序地）在两个方向上触发和记录超声信号而引起的高启动抖动，我们依赖于同时（同步）激励方法。这意味着数字示波器的公共同步时钟用于触发和采集两个方向的信号。因此，我们取消了两个输入通道之间的任何差分延迟时间。
在与换能器之间的距离成比例的行进时间之后，两个换能器同时接收声波。接收信号由于介质的损耗和吸收声能而衰减。因此，我们使用两个低噪声运算放大器以增加信号电平，从而提高信噪比。放大的信号由数字示波器采集，数字示波器使用双通道，14位ADC，采样率为50 MS / s。样本以CSV数据格式保存并导入PC以计算TTD。用Matlab编写的嵌入式（PC）软件算法处理自动TTD测量重复，提供所有控制子程序，用于控制函数发生器和数字示波器。
4.抖动对TTD的影响
抖动是测量的TTD在平均值附近的分散（无流量为零）。通常，它指的是波形样本的时间位置中的随机误差。后者在幅度值中引入相应的误差。抖动可以定义为给定信号的采样时刻与其理想的时间位置（x轴）的偏差，该时间（x轴）成比例地影响y轴（信号的幅度）。关于我们的应用，对于周期T和峰峰值幅度Vpp的假定正弦波（稳态超声波波形），接近t = 0的采样时间抖动Δt将导致测量值的变化相等ΔV=VppπΔt/ T [ 13 ]。
通常，换能器由频率为4MHz的70个周期的正弦脉冲串激励。报告实验结果显示了发射信号的最后19个周期彼此叠加的眼图。稳态区域中T的平均值为250μs，而周期间抖动噪声约为200 ps（峰峰值）。该偏差导致幅度波动约7mV。
这种抖动可以通过换能器结构由小晶粒或晶粒组成的事实来解释[ 14 ]。当后者通过有限数量的循环的外部脉冲周期性地激发时，在这些小晶体之间存在剩余的不规则应力，这预期在换能器的下一次振荡期间发生。此外，信号采集路径包含许多额外的抖动源，例如采样时间中的抖动可能由于不完美的保持电路同步，ADC的量化误差以及电缆之间的串扰而发生。
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