超声波流量计中相关时差法的应用
超声波流量计原理：时差法
超声波流量计: 超声波流量计 信噪比
II. 信噪比 (SNR)
S = 在流体中传播的信号 N = 在管壁内传播的“短路”噪声 在管壁内传播的“短路” • 为了完成优良的测量，要求 为了完成优良的测量， S >> N 或 SNR >> 1. • 高压有助于提高信号 S. • 良好的垫片将减小噪声 N. Pmin (barg)* 气体 N2 H2 SNR ≈ 1 2 7.5 SNR ≈ 4 4 30
层流 过渡流场 湍流 = 0.75 ≈ 0.85 = 0.91 - 0.99
GE Panametrics
kRe =
注释： 注释：
1 1.119 − 0.011 log R e
运动粘度 v变化 10倍导致流量 <1% 的变化。 的变化。
V = 10 m/sec 及内径 (ID) = 6” v = 10×10-6 v = 100×10-6 × × Re = 0.15×106 Re = 0.015×106 × × kRe = 0.932 kRe = 0.922
tup > tdn ∆ t = tup − tdn
超声波流量计原理： 超声波流量计原理：时差法
流体流速
GE Panametrics
V Η
C2 ×∆t 2L
体积流量测定
θ P
L
V
Q = 流速 × 横截面积 Q = V×A 声速
tup = tdn =
P c -Vsin θ P c+Vsin θ
c=
P tavg
超声波流量计: 超声波流量计 Re修正 修正
修正系数
GE Panametrics
一种提升时差法超声波流量计精度的方法
一种提升时差法超声波流量计精度的方法
提升时差法超声波流量计精度的方法包括但不限于以下几点：
1. 选择合适的换能器：换能器的性能对于流量计的精度至关重要。
选择具有高频、低噪声和高灵敏度的换能器可以提高流量计的精度。
2. 正确安装换能器：确保换能器安装在管路上，使得超声波的传输路径与流体流向垂直。
如果安装不正确，可能会影响超声波的传输，从而导致测量误差。
3. 流体特性分析：了解流体的物理特性，如密度、声速和粘度等，可以帮助调整流量计的参数，从而提高测量精度。
4. 环境因素控制：温度、压力和振动等因素可能会影响超声波的传输和接收，因此需要对这些因素进行控制或补偿。
例如，可以对温度和压力进行测量并补偿到流量测量中。
5. 信号处理和算法优化：改进信号处理技术和算法可以减少噪声和其他干扰的影响，从而提高测量精度。
例如，可以采用数字滤波器、信号增强技术和先进的信号处理算法等。
6. 定期校准和维护：定期对流量计进行校准和维护可以确保其准确性和可靠性。
这包括检查换能器的状态、清理管路和检查连接等。
7. 培训和技术支持：提供适当的培训和技术支持可以帮助用户更好地理解和使用流量计，从而提高其测量精度。
以上方法仅供参考，具体实施还需要根据实际情况进行调整。
超声波流量计中相关时差法的应用
超声波流量计中相关时差法的应用陆敏恂;朱列铭;周爱国【摘要】介绍了一种基于互相关理论的时差法超声波流量测量算法.系统采用时差法声道布置,采集流体静止和有流速状态下的两组回波信号,通过计算相关函数的峰值得到两回波信号时间差,间接得出流量,提高了时差法渡越时间获取的精度.极性相关算法的引入,大大提高了系统运算速度,提高了实时性.采用伪随机信号作为超声激励信号,克服了算法测量范围小的缺陷,更可提高系统精度.实验表明该系统测量精度高,实时性好.%This paper introduced a time-different ultrasonic flow measurement algorithm based on cross correlation theory. The system arranged ultrasonic transducers like the arrangement of the time difference method flowmeters, and collected stationary fluid condition and flowing fluid condition of echo signals in two groups. By calculating the correlation function peak of the two echo signals ,it obtained the time difference,indirectly gained the flow of wind, which can improve the accuracy of the transit time difference accuracy. The application of polarity correlation algorithm can greatly improve the system operation speed and improve performance of real-time property. By using pseudo-random signal as the ultrasonic excitation signal, the algorithm overcomes the shortcomings of small measurement range, and improve the system accuracy. Experiments show that the system is of high precision, and good realtime property.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2011(000)012【总页数】3页(P105-107)【关键词】超声波;流量计;相关时差法;伪随机信号;极性相关算法;MATLAB【作者】陆敏恂;朱列铭;周爱国【作者单位】同济大学机械工程学院,上海201804;同济大学机械工程学院,上海201804;同济大学机械工程学院,上海201804【正文语种】中文【中图分类】TP2161 相关时差算法原理1.1 相关时差法测量模型相关时差法声路布置位置有多种，如X型，V型等。
一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法
超声流量计是一种常用的流量测量仪器，其原理基于超声波在流体中传播速度与流体流速的关系。
而计算飞行时间差（Time of Flight, TOF）是超声流量计的核心任务之一。
互相关插值方法是一种常用的TOF 计算技术，可以提供较高的计算精度和稳定性。
以下是一种用于低功耗超声流量计飞行时间差计算的互相关插值方法：
1. 发射和接收超声波信号：超声流量计通常由发射器和接收器组成。
发射器将超声波信号发送到流体中，并且在流体中形成一个脉冲。
接收器接收到回波，将其转换为电信号。
2. 互相关计算：由于水流中的液体粒子对超声波的传播速度具有影响，因此需要比较发射和接收超声波信号之间的时间延迟。
这里采用互相关插值方法来计算时间延迟。
即将超声波信号与延迟后的超声波信号进行互相关计算，确定两个信号之间的时间延迟。
3. 插值优化：为了提高计算精度，需要对计算结果进行插值。
这里采用三次样条插值方法，将互相关计算得到的时延数据进行插值，从而获得更加精确的时间延迟值。
4. 流速计算：通过计算插值后的时间延迟差，可以得到流体中的平
均流速。
结合管道截面积和流体密度等参数，可以计算出实际流量。
总的来说，互相关插值方法是一种常用的超声流量计飞行时间差计算技术。
该方法通过互相关计算和插值优化，可以提供更高的计算精度和稳定性，并且适用于低功耗情况下的流量计测量。
一种用于时差法超声波流量计的高精度测时方法的实现
ｄ ｔｃｉｇ，ｔ ｉ ｎ ｗ ｔ ｏ ｄ ｈ ｐ ｅ ｄ ｔｍｅ ｏ ｌ ａ ｏ ｉ ｊ ｓ ｏ ｓｓ ｆｉ ｔｇ ａ ｎｔ ｆ ｅｅ ｔｎ ｈ ｓ ｅ ｍｅ ｈ ｄ ｍａ ｅｔ ｅ ｓ ｒａ ｉ ｆｕｔ ｓ ｎｃ ｔｃ ｎ ｉｔｏ ｎ ｅ ｒ ｌｕ ｉ ｏ ｒ ｕ ｓ
维普资讯
第 ６卷 第 ３期 ２０ ０ ７年 ６月
江 南 大 学 学 报（ 然 科 学 版） 自
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｉｎ ｎ ｎ Ｕｎ ｖ ｒ ｉ （ ｔ ｒ ｌ ｃｅ ｃ ｄ ｔ ｎ ｏ ｒ ａ ｆ ａ ｇ ａ ｉｅ ｓｔ Ｎａ ｕ ａ ｉｎ ｅ Ｅ ｉ ｏ ） Ｊ ｙ Ｓ ｉ
ｔａ ｅ ｔ ｅ ｌｒ ｓ ｎ ｃ ｌ ｗｍ ｅ ｅ ． Ｃｏ ｉ ｉ ｇ ｔ ｅ ｔ ｅ ｒ ｆ Ｐ ｗｉｈ ｔ ｅ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ｏ ｄ ｅ ｒ ｖ ｌ ｉ ｕ ｔ ａ ｏ ｉ ｏ ｍ ｆ ｔｒ ｍｂ ｎ ｎ ｈ ｈ ｏ ｙ ｏ ＬＬ ｔ ｈ ｅｈ ｉｕ ｆ ｅ ｇ
Ｖｏ ． Ｎ Ｏ １６ ．３Ｊｎ ｕ． ２ ００７文章 编 号 ：６ １ １ ７ ２０ ）３ ３ ６ ４ １７ —７ ４ （０ ７ ０ —０ ０ —０
一
种 用于 时 差 法 超 声波 流 量 计 的 高精度测时方法 的实现
郑 鹏
， 王 勇
术 浙江 杭州 ３ ０ ２ ） １ ０ ７ （ 浙江 大学 电子信 息技 与 系统研 究所 ，
Ａｂ ｔａ ｔ Ｏｎ ｔ ａ ｉ ｆ ａ ａ ｙ ｉ ｈｅ ｅ ｒ ｆ ｔ ａ ｉｉ ａ ｉ ａ ｕｒｎ ｔ ｏ ｓ ｒ ｃ ： ｈｅ ｂ ｓｓ ｏ ｎ ｌ ｚｎｇ ｔ ｒ ｏｒ ｏ ｒ ｄ ｔｏｎ ｌｔｍｅ ｍｅ ｓ ｉ ｇ ｍｅ ｈ ｄ，ａ ｎｅ ｈｉ ｈ ｗ ｇ ｐｒ ｃｓｏ ｉ ａ ｕｒｎ ｔ ｄ ｗａ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｏ ｉ ｅ ｉｉ ｎ ｔｍｅ ｍｅ ｓ ｉ ｇ ｍｅ ｈｏ ｓ ｒ ｓ ｎ ｅ ｔ ｍｐｒ ｖｅ ｈ ｅ ｉｉ ｎ ｏ ｉ ｅ ｍｅ ｓ ｉ ｆ ｏ ｔ ｅ ｐｒ ｃｓｏ ｆ ｔｍ ａ ｕｒｎｇ ｏ
超声波电路原理
CPLD技术在时差法超声波流量计中的应用摘要：研究了多通道时差法超声波流量计的测量原理，介绍了流量计系统的硬件组成和实现方法，概述了软件功能和软件流程设计。
采用CPLD+AVR单片机实现高精度计时、复杂逻辑控制以及采样控制和多机通讯，以提高流量计测量系统的精度和稳定性。
关键词：CPLD；时差法；超声波流量计；单片机1 概述时差法超声波流量计由于精度高，换能器结构简单，不影响流体流动形态而被广泛应用。
本设计中的超声波流量计是一套由计算机控制的多通道时差法超声波流量测量系统，可用于测量多个通道液体流速、瞬时流量和累计流量。
设计中采用了ALTERA公司生产的大规模复杂可编程逻辑器件（CPLD）：MAX7000S系列EPM7128S。
为了提高测量精度和稳定性，利用CPLD大规模复杂可编程特点，在逻辑电路中设计了发射波抑制电路、激励脉宽可电调整电路和数字倍频计数器电路。
发射波抑制电路有效地抑制了发射激励波的干扰；激励脉宽可电调整电路能够方便地适配不同特性探头对激励脉宽的要求；数字倍频计数器电路提高了计时精度。
由于CPLD高速、高稳定性、高可靠性和现场可编程的特点，大大提高了超声波流量计测量系统的精度和可靠性。
主机使用新型高性能、低功耗、RISC结构、内载FLASH的AVR单片机AT90S8515。
8515带有一个全双工的通用串行异步收发器，可方便的与多台仪表进行通讯，从而实现分布式测量系统。
EPM7128S内部还设计有AT90S8515的外扩总线、译码电路和输入输出等接口。
8515以外扩RAM的访问形式操作EPM7128S内部所有资源，进行通道切换、控制采样过程、读取键盘等操作。
实现的主要功能有：测量8个通道的流速、瞬时流量、累计流量，显示出错报警等信息。
2 时差法超声波流量计的测量原理和影响测量精度的因素分析2.1 时差法超声波流量计的测量原理2超声波在流体中的传播速度与流体流动速度有关，据此，可以实现流量测量。
时差法超声波流量计论
第一章绪论1.1 流量计的发展概述自古以来测量都是人类文明的一种标志，是计量科学技术的组成部分之一，它广泛存在于水利，化工，农业，石油，冶金以及人民生活各个领域之中，一直得到世界各国政府和企业的重视，而且重视程度一直在不断加强。
早在公元前1000年埃及人就开始利用堰法测量尼罗河的流量来预报年成的好坏，古罗马人则在修渠饮水中采用孔板测量流量。
1738年，瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为依据，利用差压法测量水流量；后来意大利人文丘里研究用文丘里管测量流量，并于1791年发表了研究成果；1886年，美国人赫谢尔用文丘里管制成测量水流量的使用装置；1911~1912年，美籍匈牙利人卡门提出卡门涡街的新理论；30年代,又出现了探讨用声波测量液体和气体的流速的方法，但到第二次世界大战为止未获很大进展。
第二次世界大战后，随着国际经济和科学技术的迅速发展，流量计量日益受到重视，流量仪表随之迅速发展起来，测量仪表开始向精密化、小型化等方向发展。
目前国外投入使用的流量计有100多种，国内定型投产的也有近50种。
随着工业生产的自动化，管道化的发展，流量仪表在整个仪表生产中所占比重越来越大。
据国内外资料表明，在不同的工业部门中所使用的流量仪表占整个仪表总数的15-30％。
但是，由于流量测量技术的复杂化，以及科学技术的迅速发展向流量计量提出更新更高的要求，流量计量的现况远不能满足生产的需要，还有大量的流量计量技术问题有待进一步研究解决。
目前主要存在如下问题：流量仪表的品种、规格、准确度和可靠性尚不能满足生产要求，特别对腐蚀性流体、脏污流体、高粘性流体、多相流体、特大流量、微小流量等，有待发展有效的测量手段。
我国开展近代流量测量的技术比较晚，早期所需的流量仪表均从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现光华精密机械厂所制造的家用水表，五十年代初有了新城仪表厂所开发的文丘里管差压流量计，60年代涡轮、电磁流量计的生产。
超声波流量计工作原理及分类和选型应用
超声波流量计工作原理及分类和选型应用2022年12月13日05:05生意社生意社12月13日讯一、CCS超声波流量计的工作原理及分类超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表，如果在现场配以温度、压力仪表，经过密度补偿，还可以求得质量流量。
当超声波在流动的介质中传播的时候，相对于固定的坐标系统而言（如管道中的管壁），其声波的某些声学特性与静止介质中的声特性是不同的，在其基础上又叠加上了流体的流速信息，因而根据超声波某些声学特性随流速的变化就可以求出介质的流速。
超声波流量计根据测量原理的不同，种类较多，大致可以分为以下几类：1.传播速度法（时差法、相位差法和频差法）2.多普勒法3.相关法4.波束偏移法等。
但是目前最常采用的测量方法主要有两类：时差法和多普勒效应法。
同时，根据超声波流量计使用场合不同，可以分为固定式超声波流量计和便携式超声波流量计二、超声波流量计的选型应用根据原理不同：1、多谱勒式超声波流量计的选型多普勒法超声波流量计依靠水中杂质的反射来测量水的流速，因此适用于杂质含量较多的脏水和浆体，如城市污水、污泥、工厂排放液、杂质含量稳定的工厂过程液等，而且可以测量连续混入气泡的液体。
但是根据测量原理，被测介质中必须含有一定数量的散射体（颗粒或气泡），否则仪表就不能正常工作。
2、时差式超声波流量计的选型目前生产最多、应用范围最广泛的是时差式超声波流量计。
它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水及江河水、回用水领域，得到广泛应用。
时差式超声波流量计此外可以测量杂技含量不高(杂质含量小于10g/L，粒径小于1mm)的均匀流体，如污水等介质的流量，但不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体。
在这种情况下应用，应在换能器的上游进行消气、沉淀或过滤。
在悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严重衰减而不能测量时，有时可以试降低换能器频率，予以解决。
而且精度可达±1%。
超声波流量计的测量方法
超声波流量计的三种测量方法：
1.传输时差法：利用超声波在流体中传播的特性，通过测量
顺流和逆流传播的时间差来计算流体的流速。
2.声束偏转法：利用超声波在流体中传播时，由于流体的流
动而使超声波束产生偏转的现象，通过偏转量来测量被测流体的流速。
3.多普勒频移法：当超声波入射到非均匀流体中时，如果流
体随散射体运动，部分声能将被散射。
根据声学多普勒原理，通过测量非均匀流体中散射体的超声多普勒频移来确定流体的流速。
超声波原理
超声波流量计的测流原理及其应用摘要：本文阐述了超声波流量计常用的时差法、多普勒法的测流原理，以及超声波流量计的分类。
通过实际测流应用并与流速仪所测的流量结果做了对比分析，得出超声波流量计无论在测流准确度还是在测流精度上都比其它的测流设备高，而且具有其它测流设备所不具备的实时在线和数据远传的优越性能。
关键词：超声波流量计；时差法；多普勒；测流1引言近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。
基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具。
2超声波流量计的测量原理超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。
传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。
其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。
2.1时差法测量原理时差法测量流体流量的原理如图1所示。
它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。
图1超声波流量计测流原理图设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角，换能器的距离为L。
从P1到P2顺流发射时，声波传播时间t1为：从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间t2为：一般c>>v，则时差为：单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。
大型渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化也较大，须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值，见图2。
应用公式(5)、(6)可测得流量Q。
以上各式中：d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离，为声道数，S为两声道之间的过水断面面积。
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的精度 。极性相 关算法的引入 ， 大大提 高 了系统运算速度 ， 高 了实时性 。采 用伪 随机信 号作 为超 声激励信号 ， 提 克服 了算 法测量 范围小的缺 陷 ， 可提 高 系统精度 。实验表 明该 系统测量精度 高， 更 实时性 好。
关键词 ： 超声波 ； 流量计 ； 相关 时差 法； 伪随机信号 ； 性相关算法 ； Ｔ Ａ 极 ＭＡ Ｌ Ｂ
中图 分 类 号 ： Ｐ １ Ｔ２６ 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０２—１４ （ ０ １ １ ０ ０ １０ ８ １２ １ ） ２— １５—０ ３
Ａｐ ｌｃ ｔｏ ｏ ｍ ｅ ｄ ｆｅ ｅ ｔＡｌ ｏ ｉｈｍ ｓ ｄ ０ ｏ ｓ ｐ ｉａ ｉｎ ｆＴｉ － ｉ ｒ ｎ ｇ ｒｔ Ｂａ ｅ ｎ Ｃｒ ｓ Ｃｏ ｒ ｌｔｏ ｒ ｅａ ｉ ｓ ｏ ｙ ｉ ｔ ａ ｏ ｉ ｏ ｔ ｒ
（ 同济 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 海 上 ２ １０ ） ０ ８４
摘要 ： 绍 了一种基 于互相 关理论 的时差法超 声波流量测 量算法。 系统采 用时差 法声道 布置 ， 介 采集 流体静止 和有 流
速状 态下 的两组 回波信 号 ， 通过计 算相 关函数 的峰值 得到两回波信号 时间差 ， 间接得 出流量 ， 高了时差 法渡越 时 间获取 提
２ １正 ０１
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｔｕｍｅ ｔ Ｔｅ ｈ ｉ ｕ ａ Ｓ ｎ ｏ ｎｓｒ ｎ ｃ ｎｑ ｅ ｎｄ ｅ ｓｒ
２ ０１１ Ｎｏ ２ ．１
第 ｌ ２期
超 声 波 流 量 计 中 相 关 时 差 法 的 应 用
陆敏 恂 ， 列铭 ， 爱 国 朱 周
Ｌ Ｍ ｉ — ｕｎ， Ｕ ｎ ｘ ＺＨＵ ｅ ｍ ｉｇ， Ｌｉ— ｎ ＺＨＯＵ —ｕｏ Ａｉｇ
（ ｌ ｇ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｕ ｉｅｓｙｏ ｏ ｇｉＳ ａ ｇ ａ ２ １０ ， ｈｎ ） Ｃｏ ｅｅｏ ｈ ｎｃ ｇｎ ｅｉ ， ｎｖｒｉ ｆ ｎ ｊ，ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ８４ Ｃ ｉａ ｌ Ｍｅ ａＥ ｎ ｔ Ｔ