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國內的超聲波流量測量技術研究概況
發布時間:2021-11-06 08:02:57

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

進入九十年代后,國家開始重視先進超聲波流量測量技術的研發工作,國內的一些公司和科研機構加大了對超聲波流量測量技術的研發力度,并取得了一系列的科研成果,國產超聲波流量計正式進入中國市場。1997年,余厚全等人通過研究超聲換能器的脈沖信號的傳輸特性,提出了信號誤差的校正算法。于此同時,研發國產超聲波流量計也進入了國內各大理工高校研發課題,例如成都電子科技大學、大連理工大學、哈爾濱工業大學、天津大學、浙江大學、華中科技大學等。2002年,曹茂永等人利用自相關算法和信號濾波技術改進了超聲波測距技術,在低信噪比的情況下,提升了回波信號的可靠性識別。2004年,李明偉等人針對超聲波流量計在超聲寬波束情況下測量誤差較大的情況,構建了管道的聲路模型,并在此基礎上提出管道Lamb波理論。2008年,楊揚等人深入分析總結了超聲波多普勒效應,引入快速傅里葉變換算法計算傳輸管道內流體的流速和流量。2009年,李躍忠等人利用弦向聲道超聲波流量檢測方法,結合流體力學、材料結構學、聲道分布學、聲波學、數學重構等科學理論,模擬構建了完整的多聲道超聲波氣體流量計數學模型。2013年,金松日等人通過利用檢測動態閾值的辦法測量了超聲波信號的過零點,采用小波閾值算法提高有用信號的信噪比,設計并調試了一款小管徑超聲波流量計,其時間測量精度可以達到0.5ns。2016年,唐曉宇等人在設計了一款基于LAM算法的多聲道超聲波氣體流量計,驗證了流量計在不同角度、不同位置安裝時的測量精度,分析了非理想管道中流體流場的分布,指出了流體流速對超聲波流量計測量精度的影響。2018年,李冬等人通過CFD技術分析了不同結構參數對管道內部流體特性參數的影響,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下的非理想流動傳輸問題。

隨著中國經濟的飛速發展,基礎科研實力的不斷堆積,國家越來越重視電子技術的研發。FPGA、單片機、DSP等微型核心處理器被引入超聲波流量計的控制系統,新型理論算法技術被吸收進超聲波流量測量技術的研發進程中。近十年來,一些能夠優化超聲波流量計測量精度的芯片被研發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 計時芯片應用于超聲波渡越時間的測量,并且驗證了此方法對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型芯片TDCGP21,設計了單聲道超聲波流量計,極大提升了超聲波流量計的測量精度。2020年,胡海霞等人利用TDC-GP22芯片設計并開發了超聲波流量計的計時模塊,并利用卡爾曼濾波算法對聲波信號進行處理,提升了流量檢測的可靠性。

與此同時,相關信號回波識別技術也被應用于超聲波渡越時間的測量領域,以程序控制為切入點,提升了超聲波流量計的性能,國內好多科研人員也在對應領域展開了研究。2009年,中北大學郝晶等人研究了相關算法中核心參數的計算方法,并分析了相關算法對提高超聲波流量計測量精度的作用。

2012年,劉園珍等人在相關算法的基礎上引入插值算法,簡化了超聲波流量計測量電路,提高了測量系統的抗干擾能力。2013年,汪洋等人以FPGA為核心控制器,用Matlab對采樣點進行相關處理,深入且直觀的分析了相關算法對超聲波流量計性能的提升。2016年,柏思忠、張加易等人提出了一種三步相關算法處理辦法,降低了相關算法的計算量的數量級。2019年,王藝林等人深入研究了氣體超聲波流量計的結構,提出了一種基于互相關函數包絡特征點的超聲波渡越時間計算方法,選取波形信號最大值點計算渡越時間,提高了渡越時間測量的重復性。

超聲流量測量技術的相關方法的大量提出以及實現,在加上中國龐大的內需市場,中國國內的超聲波流量計生產廠家已經具有了一定的規模。目前比較大的超聲波流量計生產廠家有:嘉可自動化儀表、嘉可儀表、淮安嘉可自動化儀表有限公司等。圖1為淮安嘉可自動化儀表超聲波液體流量計。

整體來看,我國自主生產的超聲波流量計與世界領先的產品相比仍有較大差距,國內主要市場份額被國外產品所占據。產品差距主要體現在針對不同流體的測量穩定性不高、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。為例滿足工業生產發展的要求,流量測量的精度必須得到一定量的提高。這就需要國內科研工作者深度研究超聲波流量測量技術,提高相關產品的穩定性以及測量精度。針對不同的流體測量方法展開研究進行實驗論證,分析如何在諸多不利因素的影響下,保持超聲波流量計的測量精度和測量穩定性。

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