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国内的超声波流量测量技术研究概况
发布时间:2021-11-06 08:02:57

受历史环境条件影响,我国对超声波流量测量技术的研究较晚,最早可追溯到上世纪60年代。六十年以前,上海工业自动化仪表研究所首先展开了对超声波流量测量技术的理论研究,我国对超声波流量测量技术的探索进入起步阶段。1978年,姜天仕、吴淑珍等人根据超声波频差原理,成功研制了CLJ-1型超声波流量计,并在数个工厂中得以应用,这也是我国国产超声波流量计最早的商用记载。进入80年代后,为了追赶国际先进水平,引进国外的超声波流量测量技术成为国内公司的首要选择。日本、美国、德国等国的一些公司也与我国的仪表生产厂家展开了合作。因此在80年代中期,国内部分厂商就能够利用世界先进水平的超声波流量测量技术制造流量计,但是核心的技术和理论研究数据无法从国外获取,中国难以生产出真正属于自己的高精度超声波流量计。

进入九十年代后,国家开始重视先进超声波流量测量技术的研发工作,国内的一些公司和科研机构加大了对超声波流量测量技术的研发力度,并取得了一系列的科研成果,国产超声波流量计正式进入中国市场。1997年,余厚全等人通过研究超声换能器的脉冲信号的传输特性,提出了信号误差的校正算法。于此同时,研发国产超声波流量计也进入了国内各大理工高校研发课题,例如成都电子科技大学、大连理工大学、哈尔滨工业大学、天津大学、浙江大学、华中科技大学等。2002年,曹茂永等人利用自相关算法和信号滤波技术改进了超声波测距技术,在低信噪比的情况下,提升了回波信号的可靠性识别。2004年,李明伟等人针对超声波流量计在超声宽波束情况下测量误差较大的情况,构建了管道的声路模型,并在此基础上提出管道Lamb波理论。2008年,杨扬等人深入分析总结了超声波多普勒效应,引入快速傅里叶变换算法计算传输管道内流体的流速和流量。2009年,李跃忠等人利用弦向声道超声波流量检测方法,结合流体力学、材料结构学、声道分布学、声波学、数学重构等科学理论,模拟构建了完整的多声道超声波气体流量计数学模型。2013年,金松日等人通过利用检测动态阈值的办法测量了超声波信号的过零点,采用小波阈值算法提高有用信号的信噪比,设计并调试了一款小管径超声波流量计,其时间测量精度可以达到0.5ns。2016年,唐晓宇等人在设计了一款基于LAM算法的多声道超声波气体流量计,验证了流量计在不同角度、不同位置安装时的测量精度,分析了非理想管道中流体流场的分布,指出了流体流速对超声波流量计测量精度的影响。2018年,李冬等人通过CFD技术分析了不同结构参数对管道内部流体特性参数的影响,利用流场分布和声场耦合的原理方法,解决了超声波在安装效应下的非理想流动传输问题。

随着中国经济的飞速发展,基础科研实力的不断堆积,国家越来越重视电子技术的研发。FPGA、单片机、DSP等微型核心处理器被引入超声波流量计的控制系统,新型理论算法技术被吸收进超声波流量测量技术的研发进程中。近十年来,一些能够优化超声波流量计测量精度的芯片被研发出来并被用于流量检测。例如,2009年,温静馨、吴元良等人,将 TDC-GP2 计时芯片应用于超声波渡越时间的测量,并且验证了此方法对气状流体流量测量精度的提升。2014年,危鄂元、李红娟等人利用改进型芯片TDCGP21,设计了单声道超声波流量计,极大提升了超声波流量计的测量精度。2020年,胡海霞等人利用TDC-GP22芯片设计并开发了超声波流量计的计时模块,并利用卡尔曼滤波算法对声波信号进行处理,提升了流量检测的可靠性。

与此同时,相关信号回波识别技术也被应用于超声波渡越时间的测量领域,以程序控制为切入点,提升了超声波流量计的性能,国内好多科研人员也在对应领域展开了研究。2009年,中北大学郝晶等人研究了相关算法中核心参数的计算方法,并分析了相关算法对提高超声波流量计测量精度的作用。

2012年,刘园珍等人在相关算法的基础上引入插值算法,简化了超声波流量计测量电路,提高了测量系统的抗干扰能力。2013年,汪洋等人以FPGA为核心控制器,用Matlab对采样点进行相关处理,深入且直观的分析了相关算法对超声波流量计性能的提升。2016年,柏思忠、张加易等人提出了一种三步相关算法处理办法,降低了相关算法的计算量的数量级。2019年,王艺林等人深入研究了气体超声波流量计的结构,提出了一种基于互相关函数包络特征点的超声波渡越时间计算方法,选取波形信号最大值点计算渡越时间,提高了渡越时间测量的重复性。

超声流量测量技术的相关方法的大量提出以及实现,在加上中国庞大的内需市场,中国国内的超声波流量计生产厂家已经具有了一定的规模。目前比较大的超声波流量计生产厂家有:ag真人自动化仪表、ag真人仪表、ag真人_ag真人平台_ag真人娱乐APP 等。图1为ag真人娱乐APP 超声波液体流量计。

整体来看,我国自主生产的超声波流量计与世界领先的产品相比仍有较大差距,国内主要市场份额被国外产品所占据。产品差距主要体现在针对不同流体的测量稳定性不高、受外部条件影响较大、测量精度较低、测量可靠性不高等方面。为例满足工业生产发展的要求,流量测量的精度必须得到一定量的提高。这就需要国内科研工作者深度研究超声波流量测量技术,提高相关产品的稳定性以及测量精度。针对不同的流体测量方法展开研究进行实验论证,分析如何在诸多不利因素的影响下,保持超声波流量计的测量精度和测量稳定性。