1、引言

目前自來(lái)水流量的測(cè)量，傾向于使用非接觸式的電子檢測(cè)儀表。非接觸式流量計(jì)大多采用超聲技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)很多廠家推出了超聲流量計(jì)，它們大多應(yīng)用了微電腦處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試的智能化。在國(guó)外，日本、德國(guó)、瑞士幾家公司產(chǎn)品，其性能和原理大致相同。

目前的流量計(jì)的基本測(cè)量原理和方法有以下三種：①時(shí)間差法，②相位差法，③頻率差法。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外的大多數(shù)非接觸式超聲流量計(jì)使用的都是頻差法。例如富士株士會(huì)社生產(chǎn)的FLB-1型超聲流量計(jì)使用的就是這種方法。它提供了可供選擇的兩種探頭安裝方法。如圖1所示。其中V法適用于小管徑的管道，而Z法則適用于2000mm或更大管徑的管道。另外，當(dāng)無(wú)法提供合適的安裝間距時(shí)，宜于采用Z法，因?yàn)閆法僅需V法間距的一半，同時(shí)，在流體速度很高時(shí)，也應(yīng)選擇Z法。當(dāng)管內(nèi)壁的污垢很厚時(shí)，也不適用反射式的V法而選用Z法。但不論采用哪種方法，都很難排除隨機(jī)的噪聲干擾，造成較大的誤差。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的相關(guān)式超聲流量計(jì)。

2、測(cè)量原理分析

相關(guān)檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)中研究得很多，但在自來(lái)水流量測(cè)量中付諸實(shí)現(xiàn)仍是難的課題，本文所采用的相關(guān)檢測(cè)方法如圖2所示。在管道上裝有兩組傳感器，上游傳感器和下游傳感器，兩組傳感器之間距離L。相關(guān)檢測(cè)的實(shí)質(zhì)是測(cè)出流體通過(guò)線性系統(tǒng)時(shí)，走過(guò)L長(zhǎng)的距離所需的時(shí)間T。

設(shè)上游傳感器測(cè)得的信號(hào)是x(t)，下游傳感器測(cè)得的信號(hào)是y(t)，對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算：

將系統(tǒng)的輸入信號(hào)x(t)和輸出信號(hào)y(t)**間的變化的記錄分別看作是隨機(jī)過(guò)程{xt(t)和yt(t)}的一個(gè)樣本函數(shù)。由于系統(tǒng)是線性的，且不考慮噪聲干擾的情況下，可以認(rèn)為{xt(t)}和{yt(t+T)}是完全相似的，只是后者在時(shí)間上滯后T。事實(shí)上，由于附加噪聲的干擾，二者的波形不可能完全相似。為了描述二者的畸變程度，引入差值函數(shù)e(t)。

e(t)=x(t)-Ay(t+T)   (2)

其中，A是某一常數(shù)。顯然，如果存在一個(gè)常數(shù)a使e(t)=0，則有：

x(t)=ay(t+T)   (3)

如上所述，由于噪聲的存在，常數(shù)a是找不到的。為了判斷x(t)與y(t+T)波形相似程度，可采用隨機(jī)函數(shù)方差的概念：

作為衡量x(t)和y(t+T)之間波形差異的一個(gè)尺度。按*小均方差為判據(jù)，D越小，則y(t+T)的波形與x(t)的波形相似程度越高。令dD/dA=0，可以解出D為*小值的A為

將式(5)代入式(4)，化簡(jiǎn)后可得：

式中，exy(T)是相關(guān)系數(shù)lxy(T)的估計(jì)值，且

由于系統(tǒng)是線性的，系統(tǒng)的輸出信號(hào)和輸入信號(hào)**間的變化規(guī)律相同，只是它們?cè)跁r(shí)間上相差一個(gè)T=To值，此值即為信號(hào)在該系統(tǒng)內(nèi)的傳遞時(shí)間。在作相關(guān)運(yùn)算時(shí)，互相關(guān)函數(shù)的Rxy(T)值將隨x(t)與y(t+T)之間的相對(duì)延時(shí)值T的不同而變化。只有T的取值正好等于信號(hào)x(t)在系統(tǒng)中的傳遞時(shí)間To時(shí)，y(t+T)與x(t)二者的波形*為相似。此時(shí)，在互相關(guān)圖上Rxy(T)也將出現(xiàn)峰值，如圖3所示。

因此，根據(jù)Rxy(T)值的位置，可以確定信號(hào)x(t)在系統(tǒng)中傳遞時(shí)間To。

3、測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，測(cè)試系統(tǒng)的硬件包括超聲發(fā)射電路、傳感器、超聲接收電路、配用電路以及單片機(jī)和顯示電路等部分組成，如圖4所示。

在本系統(tǒng)中，*為主要的是根據(jù)測(cè)量方法的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)軟件在單片機(jī)計(jì)算出To。因?yàn)長(zhǎng)是固定的常數(shù)，To計(jì)算出來(lái)之后，即可根據(jù)

v=L/To   (8)

計(jì)算出自來(lái)水的流速，進(jìn)一步根據(jù)管徑的大小計(jì)算出流量值。