超声波流量测量的发展概况和研究进程

进行任何加工，尤其适合应用于大管径、大流量场合。

　　相对传统的流量计，超声多普勒流量测量方法特点比较突出，适合多种工况条件和液体类型流量的测量，在工业流量测量中具有广泛的应用前景。近年来，随着电子技术和信息技术的飞速发展，超声波流量测量的技术水平有了很大提高，但研究重点非常明显地集中在血流测量等医学领域，超声波工业管道流量测量方面的研究相对较少，且主要集中于时差式流量测量（以天然气流量测量最为突出），在多普勒方法方面的研究不多，导致现有工业管道用超声多普勒流量计的性能普遍不高，存在以下缺点：

　　（1）不能判断流速方向；

　　（2）低流速测量困难；

　　（3）动态响应速度慢、实时性差；

　　（4）基本误差一般为±（1%～10%）FS，重复性为0.2%～1%，相对时差式超声波流量计、质量流量计、电磁流量计等其它流量计而言精度比较低。

　　这些缺点极大限制了超声多普勒流量计的推广和使用。目前超声多普勒流量计一般只在一些特殊场合下使用，比如便携式测量、明渠流量测量、超大管径流量测量等。

　　1.2 超声多普勒流量测量研究进展

　　1.2.1 多普勒流量测量模型

　　超声多普勒流量测量技术在过去的几十年中得到不断发展，出现了多种测量模型，本章概括为分为连续波多普勒（CW Doppler）模型 、脉冲波多普勒（PW Doppler）模型、伪随机多普勒模型和调频多普勒（FM Doppler）模型 四种。CW Doppler流量测量采用收发分离的换能器，它们分别连续不断地发射和接收超声波信号并进行后续处理，这种测量模型一般用于平均流速和流量的测量，详细原理见本文4.2小节，本章主要介绍后面三种模型的研究进展情况。

　　（1）PW Doppler模型

　　PW Doppler可采用收发共用的换能器，进行间断式的脉冲发射，并作时间的门控式（Time-Gate）选通接收，测量原理如图1-1所示。

　　超声换能器在起始时刻t0发射一串超声脉冲，并延迟一段时间1 t后接收超声回波信号，选通时间2 t决定了采样的回波信号长度，对应于取样分析的散射体样本大小，散射体样本在超声波传播方向的长度为：

　　式中c0为流体中的声速。散射体距离管壁的径向位置为：

　　根据多普勒效应，对时间长度为t2的取样回波信号进行频谱分析，得到散射体速度：

　　式中fd为散射体样本的多普勒频移，f0为发射信号频率。

　　通过改变延迟时间t1和选通时间t2，可得到超声波传播途径上任意位置的任意大小散射体样本的速度，从而可以测量流体在超声波传播方向上的流速分布。但这种方法存在一些缺点，如图1-1，定义PRF为选通时间的脉冲重复频率，由于PW Doppler流量测量可以检测出的最高多普勒频移只能是脉冲重复频率的一半，因此PW Doppler方法能探测的最大深度为：

　　能够测量的最大流速为：

　　并且最大探测深度和最大流速之间相互制约：

　　由于上述这些缺点，PW Doppler方法近年来逐步被一种新的时域相关技术所取代。

　　（2）伪随机多普勒模型

　　伪随机超声多普勒流量测量模型的原理如图1-2所示。

　　振荡器产生高频正弦波sinω0t，它被伪随机信号调制并功率放大后成为发射信号st（t）：

　　式中M（t）是m序列二进制伪随机码。st（t）遇到第i个散射目标后返回到接收探头的时间设为（t-τi），于是接收探头接收到的回波信号为：

　　式中Ωi为第i个目标的多普勒频移。m序列经延迟τk后为M（t-τk），与回波信号经相关器解调后得到：

　　由m序列自相关函数的性质可知：

　　如果随机序列的N值相当大，则上式第二项可以忽略，即：

　　这样，调节延迟时间τk就可以选通不同深度的运动目标进行分析。

　　伪随机多普勒流量测量方法与CW Doppler和PW Doppler方法相比较，其可以克服CW Doppler方法没有距离选择性以及PW Doppler方法的最大测量距离和最大可能测量速度受限制等缺点。

　　（3）FM Doppler模型，FM Doppler流量测量一般采用线性调频方法，如图1-3所示。

　　线性调频的扫描振荡器产生频率从f1到f2的线性调频信号：

　　式中tm为扫频信号长度，扫频速率

　　设散射质点位于收发换能器的声束轴线上，与换能器的距离约为R.在开始发射t =0时刻，运动质点与换能器的距离为r，运动速度在超声波传播方向上的分量为u，则发射信号经散射质点反射回到接收换能器的时间为：

　　式中

　　则接收到的信号可以表示为：

式中：B包含了反射系数及发射幅度等各种幅度因子，并假设换能器具有平坦的频响，传播媒质均匀且无传输损耗。送入