國內(nèi)的超聲波流量測量技術(shù)研究概況

　　受歷史環(huán)境條件影響，我國對(duì)超聲波流量測量技術(shù)的研究較晚，最早可追溯到上世紀(jì)60年代。六十年以前，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所首先展開了對(duì)超聲波流量測量技術(shù)的理論研究，我國對(duì)超聲波流量測量技術(shù)的探索進(jìn)入起步階段。1978年，姜天仕、吳淑珍等人根據(jù)超聲波頻差原理，成功研制了CLJ-1型超聲波流量計(jì)，并在數(shù)個(gè)工廠中得以應(yīng)用，這也是我國國產(chǎn)超聲波流量計(jì)最早的商用記載。進(jìn)入80年代后，為了追趕國際先進(jìn)水平，引進(jìn)國外的超聲波流量測量技術(shù)成為國內(nèi)公司的首要選擇。日本、美國、德國等國的一些公司也與我國的儀表生產(chǎn)廠家展開了合作。因此在80年代中期，國內(nèi)部分廠商就能夠利用世界先進(jìn)水平的超聲波流量測量技術(shù)制造流量計(jì)，但是核心的技術(shù)和理論研究數(shù)據(jù)無法從國外獲取，中國難以生產(chǎn)出真正屬于自己的高精度超聲波流量計(jì)。

　　進(jìn)入九十年代后，國家開始重視先進(jìn)超聲波流量測量技術(shù)的研發(fā)工作，國內(nèi)的一些公司和科研機(jī)構(gòu)加大了對(duì)超聲波流量測量技術(shù)的研發(fā)力度，并取得了一系列的科研成果，國產(chǎn)超聲波流量計(jì)正式進(jìn)入中國市場。1997年，余厚全等人通過研究超聲換能器的脈沖信號(hào)的傳輸特性，提出了信號(hào)誤差的校正算法。于此同時(shí)，研發(fā)國產(chǎn)超聲波流量計(jì)也進(jìn)入了國內(nèi)各大理工高校研發(fā)課題，例如成都電子科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)等。2002年，曹茂永等人利用自相關(guān)算法和信號(hào)濾波技術(shù)改進(jìn)了超聲波測距技術(shù)，在低信噪比的情況下，提升了回波信號(hào)的可靠性識(shí)別。2004年，李明偉等人針對(duì)超聲波流量計(jì)在超聲寬波束情況下測量誤差較大的情況，構(gòu)建了管道的聲路模型，并在此基礎(chǔ)上提出管道Lamb波理論。2008年，楊揚(yáng)等人深入分析總結(jié)了超聲波多普勒效應(yīng)，引入快速傅里葉變換算法計(jì)算傳輸管道內(nèi)流體的流速和流量。2009年，李躍忠等人利用弦向聲道超聲波流量檢測方法，結(jié)合流體力學(xué)、材料結(jié)構(gòu)學(xué)、聲道分布學(xué)、聲波學(xué)、數(shù)學(xué)重構(gòu)等科學(xué)理論，模擬構(gòu)建了完整的多聲道超聲波氣體流量計(jì)數(shù)學(xué)模型。2013年，金松日等人通過利用檢測動(dòng)態(tài)閾值的辦法測量了超聲波信號(hào)的過零點(diǎn)，采用小波閾值算法提高有用信號(hào)的信噪比，設(shè)計(jì)并調(diào)試了一款小管徑超聲波流量計(jì)，其時(shí)間測量精度可以達(dá)到0.5ns。2016年，唐曉宇等人在設(shè)計(jì)了一款基于LAM算法的多聲道超聲波氣體流量計(jì)，驗(yàn)證了流量計(jì)在不同角度、不同位置安裝時(shí)的測量精度，分析了非理想管道中流體流場的分布，指出了流體流速對(duì)超聲波流量計(jì)測量精度的影響。2018年，李冬等人通過CFD技術(shù)分析了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)管道內(nèi)部流體特性參數(shù)的影響，利用流場分布和聲場耦合的原理方法，解決了超聲波在安裝效應(yīng)下的非理想流動(dòng)傳輸問題。

　　隨著中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)科研實(shí)力的不斷堆積，國家越來越重視電子技術(shù)的研發(fā)。FPGA、單片機(jī)、DSP等微型核心處理器被引入超聲波流量計(jì)的控制系統(tǒng)，新型理論算法技術(shù)被吸收進(jìn)超聲波流量測量技術(shù)的研發(fā)進(jìn)程中。近十年來，一些能夠優(yōu)化超聲波流量計(jì)測量精度的芯片被研發(fā)出來并被用于流量檢測。例如，2009年，溫靜馨、吳元良等人，將 TDC-GP2 計(jì)時(shí)芯片應(yīng)用于超聲波渡越時(shí)間的測量，并且驗(yàn)證了此方法對(duì)氣狀流體流量測量精度的提升。2014年，危鄂元、李紅娟等人利用改進(jìn)型芯片TDCGP21，設(shè)計(jì)了單聲道超聲波流量計(jì)，極大提升了超聲波流量計(jì)的測量精度。2020年，胡海霞等人利用TDC-GP22芯片設(shè)計(jì)并開發(fā)了超聲波流量計(jì)的計(jì)時(shí)模塊，并利用卡爾曼濾波算法對(duì)聲波信號(hào)進(jìn)行處理，提升了流量檢測的可靠性。

　　與此同時(shí)，相關(guān)信號(hào)回波識(shí)別技術(shù)也被應(yīng)用于超聲波渡越時(shí)間的測量領(lǐng)域，以程序控制為切入點(diǎn)，提升了超聲波流量計(jì)的性能，國內(nèi)好多科研人員也在對(duì)應(yīng)領(lǐng)域展開了研究。2009年，中北大學(xué)郝晶等人研究了相關(guān)算法中核心參數(shù)的計(jì)算方法，并分析了相關(guān)算法對(duì)提高超聲波流量計(jì)測量精度的作用。

　　2012年，劉園珍等人在相關(guān)算法的基礎(chǔ)上引入插值算法，簡化了超聲波流量計(jì)測量電路，提高了測量系統(tǒng)的抗干擾能力。2013年，汪洋等人以FPGA為核心控制器，用Matlab對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)處理，深入且直觀的分析了相關(guān)算法對(duì)超聲波流量計(jì)性能的提升。2016年，柏思忠、張加易等人提出了一種三步相關(guān)算法處理辦法，降低了相關(guān)算法的計(jì)算量的數(shù)量級(jí)。2019年，王藝林等人深入研究了氣體超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)，提出了一種基于互相關(guān)函數(shù)包絡(luò)特征點(diǎn)的超聲波渡越時(shí)間計(jì)算方法，選取波形信號(hào)最大值點(diǎn)計(jì)算渡越時(shí)間，提高了渡越時(shí)間測量的重復(fù)性。

　　超聲流量測量技術(shù)的相關(guān)方法的大量提出以及實(shí)現(xiàn)，在加上中國龐大的內(nèi)需市場，中國國內(nèi)的超聲波流量計(jì)生產(chǎn)廠家已經(jīng)具有了一定的規(guī)模。目前比較大的超聲波流量計(jì)生產(chǎn)廠家有：嘉可自動(dòng)化儀表、嘉可儀表、淮安嘉可自動(dòng)化儀表有限公司等。圖1為淮安嘉可自動(dòng)化儀表超聲波液體流量計(jì)。

　　整體來看，我國自主生產(chǎn)的超聲波流量計(jì)與世界領(lǐng)先的產(chǎn)品相比仍有較大差距，國內(nèi)主要市場份額被國外產(chǎn)品所占據(jù)。產(chǎn)品差距主要體現(xiàn)在針對(duì)不同流體的測量穩(wěn)定性不高、受外部條件影響較大、測量精度較低、測量可靠性不高等方面。為例滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求，流量測量的精度必須得到一定量的提高。這就需要國內(nèi)科研工作者深度研究超聲波流量測量技術(shù)，提高相關(guān)產(chǎn)品的穩(wěn)定性以及測量精度。針對(duì)不同的流體測量方法展開研究進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，分析如何在諸多不利因素的影響下，保持超聲波流量計(jì)的測量精度和測量穩(wěn)定性。

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