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。
5.抖动减少技术
由于以50MS / s的采样率对接收波形的记录数据进行采样，因此稳态区域中的每个周期包含大约13个采样点。正弦拟合方法将等式（12）调整为记录的采样数据集，以便提取迹线的特征参数，即幅度，相位和频率。
X（N）= ASIN（2πft ? +φ） （12）
其中A和φ分别是信号的幅度和相位，f是驱动频率，t n是离散时间矢量。
下面的等式，从等式（11）获得的，被用于计算从TTD的上游和下游提取阶段（φ 向上，φ 向下）：
TTD = φ向上- φ下2 π ?F
（13）
确定TTD的精度可受两个参数的影响：接收信号的幅度和拟合算法中使用的样本数。关于第一参数，在稳态区域中抖动水平与接收信号的幅度之间存在明确的相关性。换句话说，获得的TTD具有取决于ADC的输入动态范围的抖动。这通过调整两个放大器的增益进行优化，旨在覆盖ADC的大部分输入范围。ADC动态范围，即最大电压V FRS与最小电压V LSB的比率，可以表示为位数或分辨率。
?位= log （VFSRVLSB）记录2
（14）
显示了抖动测量精度（由标准偏差表示）与ADC使用位数的关系。标准偏差由50个捕获的超声波形的TTD计算。测量在室温下在无流动条件下进行，并且N = 250个拟合样品。
如前所述，通过增加用于调整正弦拟合参数的信号样本的数量，也可以减少抖动。由于每个采样序列中存在的噪声是不相关的，因此给定数量的采样N将时序抖动值降低了一倍?√（根据平均原则）描绘了对于不同数量的拟合样品在室温和无流动条件下进行的单个TTD测量。示出了测量的TTD标准偏差（STD）与拟合样本的数量，以及使用等式（15）估计的理论极限。基于这些结果，可以推断出测量的抖动表现出与计算的抖动相同的行为。换句话说，随着样本数量的增加，根据等式（15），测量的TTD的标准偏差减小。
σX“= σ?√
（15）
6.零流量TTD偏移校正
如前所述，为了消除仪表在无流量条件下检测到错误流量的可能性，上游和下游的运输时间应该理想地相同，但除非采取特殊的预防措施，否则情况可能并非如此。由于每个流动方向与另一个流动方向的电阻抗略有不同，这导致上游和下游信号路径之间的不对称（根据电子设备的电阻抗和仪表中使用的传感器）[ 15]并且在两个上游和下游传输信号中引起不同的幅度。表示在室温和无流动条件下进行的测量结果。两个换能器在4 MHz强制频率下以相同的正弦脉冲激发。所示的250 mV发射机幅度差异导致大约150 ps的零流量TTD偏移。
不管换能器的不匹配的，与所述操作温度范围[谐振频率的变化6，16，17，18 ]，可能造成超声信号路径的两个方向之间的不对称。因此，介质的温度变化是零流量TTD偏移漂移的主要原因。
为了在无流量条件下有效地消除TTD偏移，需要两个换能器及其相关电子的上游和下游电阻抗之间的匹配以达到高度对称的信号路径。根据文献[ 19 ]，换能器的电阻抗可以通过强制频率来控制。我们已经使用此功能来消除两个方向之间的电阻抗失配，因为匹配良好的上游下游信号路径会降低发射机幅度差异，并导致非常小的零流量TTD偏移。
通过将正弦脉冲串频率从4 MHz更改为4.19 MHz，先前测量的150 ps零流量TTD偏移量将大幅降低至小于5 ps。
总之，选择正确的强制频率可以大大减少零偏移误差。为了实现自动补偿，需要精确设置强制频率以消除管道内温度变化引起的偏移。为了确保用于补偿零流量偏移的驱动频率的可重复性或精度，已经在四个随机选择的不同温度（35°C，60°C，70°C和80°）下进行了几项实验测量C）。我们已经表明，在所需的激励强制频率和温度之间存在清晰，简单，稳定和可靠的关系。
接上篇文章。