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1.1 超聲波流量測(cè)量發(fā)展概況
工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開對(duì)工質(zhì)數(shù)量的了解或?qū)Ω鞣N物質(zhì)（原料）配比的控制。為保證產(chǎn)品質(zhì)量、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)物料的輸送量（流量）或某段時(shí)間內(nèi)物料的總輸送量（累積流量）要精確計(jì)量和控制，并要求能及時(shí)地發(fā)出反映流量大小的信號(hào)。流量測(cè)量，不管是以計(jì)量為目的，或是用于過程控制，幾乎涉及所有的領(lǐng)域。流量測(cè)量儀表種類繁多，用超聲波來檢測(cè)流量是其中的一種重要方法。當(dāng)超聲波在流動(dòng)的媒質(zhì)中傳播時(shí)，相對(duì)于固定的坐標(biāo)系統(tǒng)（比如管道中的管壁）來說，超聲波速度與其在靜止媒質(zhì)中的傳播速度有所不同，其變化值與媒質(zhì)流速有關(guān)，因此根據(jù)超聲波速度變化可以求出媒質(zhì)流速。另外也可以根據(jù)超聲波在流體中的多普勒效應(yīng)來求媒質(zhì)流速，從而根據(jù)管徑等其它已知參數(shù)計(jì)算出流體的瞬時(shí)流量和累積流量。
研究利用超聲波測(cè)量液體和氣體流量已經(jīng)有數(shù)十年的歷史。1928年法國的O. Rutten研制成功了世界上第一臺(tái)超聲波流量計(jì)，之后美國、意大利等國陸續(xù)有人研究，但都限于相位差法，進(jìn)展不大。1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法的超聲波流量計(jì)首先作為航空燃料用流量計(jì)獲得成功，隨后又出現(xiàn)了基于時(shí)間差法和波束偏移法的超聲波流量計(jì)。1958年，A.L. Herdrich等人發(fā)明了折射式超聲波探頭，以消除由于管壁中聲波的交混回響而產(chǎn)生的相位失真，為換能器的管道外夾安裝提供了理論依據(jù)，超聲多普勒流量計(jì)也在這一時(shí)期誕生。1963年，超聲波流量計(jì)開始由日本的Tokyo Keiki等人引入工業(yè)應(yīng)用，但由于電子線路太復(fù)雜而未占有牢固的地位。20世紀(jì)70年代后，集成電路技術(shù)迅猛發(fā)展，高性能鎖相技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，使得實(shí)用的超聲波流量計(jì)得以迅速發(fā)展。到20世紀(jì)90年代初期日本、美國、西歐等地區(qū)超聲波流量計(jì)的銷售已占到流量儀表的4%~9%.20世紀(jì)90年代中期，超聲波流量計(jì)世界范圍的年銷售臺(tái)數(shù)約3.6萬臺(tái)，其中明渠用約占1/3，封閉管道用約占2/3，2/3中傳播時(shí)間法、多普勒法、組合法分別約占81%、13 %、6%.進(jìn)入21世紀(jì)，F(xiàn)low Research和Ducker Worldwide的研究報(bào)告指出，全球超聲波流量計(jì)（不含明渠流量計(jì)）2000年的銷售達(dá)到2.4億美元，2005年前，超聲波流量計(jì)的銷售還將以年均 15.3%的速度快速增長。
如今，超聲波流量計(jì)扮演著越來越重要的角色，在供水、電力、石油、化工、冶金、煤礦、環(huán)保、醫(yī)療、海洋、河流等各種計(jì)量測(cè)試中得到廣泛的應(yīng)用，并在一定范圍內(nèi)取代了傳統(tǒng)的差壓流量計(jì)和電磁流量計(jì)等設(shè)備。超聲波流量計(jì)是一個(gè)很有發(fā)展前途的方向，F(xiàn).C. Kinghorn在FLOMEKO‘1996上指出［8］，“改善現(xiàn)有的流量測(cè)量系統(tǒng)或開發(fā)新型流量測(cè)量手段將給工業(yè)界帶來巨大的效益，在這方面超聲波流量計(jì)、文丘利管流量計(jì)及層析顯像技術(shù)將會(huì)是最有發(fā)展前途的三個(gè)領(lǐng)域”，由此可見一斑。
超聲波流量計(jì)主要由安裝在被測(cè)管道上的超聲換能器（或由換能器測(cè)量管段組成的超聲流量傳感器），后端處理系統(tǒng)，以及連接它們的專用信號(hào)電纜組成。后端處理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為固定盤裝式和便攜式兩大類，以下從不同角度對(duì)超聲波流量測(cè)量方法進(jìn)行分類。
按測(cè)量原理分類：封閉管道用超聲波流量測(cè)量原理有5種：傳播時(shí)間法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法和噪聲法。
按被測(cè)介質(zhì)分類：有氣體用和液體用兩類。
按換能器安裝方式分類：有可移動(dòng)安裝和固定安裝（短管式和插入式）。
按聲道數(shù)分類：有單聲道、雙聲道、四聲道以及多聲道等類別。
課題研究的超聲多普勒流量測(cè)量方法自誕生以來，已逐步發(fā)展成為超聲波流量測(cè)量的一個(gè)重要方向。超聲多普勒流量計(jì)適用于測(cè)量含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆粒或氣泡的液體，如污水、工廠排放液、臟流程液、農(nóng)業(yè)用水、泥漿、礦漿、非凈燃油、原油等，除非清潔液體中引入散射體（如氣泡）或其流動(dòng)擾動(dòng)程度大到能獲得反射信號(hào)，通常不適用于清潔液體。
與差壓流量計(jì)和電磁流量計(jì)等各種傳統(tǒng)的流量測(cè)量方法相比，超聲多普勒流量測(cè)量方法具有以下顯著特點(diǎn)：
?。?）可以將檢測(cè)元件置于管壁外而不與被測(cè)流體直接接觸，不破壞流體的流場，沒有壓力損失；
（2）外夾式超聲多普勒流量計(jì)的安裝、檢修均不影響管路系統(tǒng)及設(shè)備的正常運(yùn)行；
?。?）超聲多普勒流量測(cè)量精度受流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響??；
?。?）尤其適合替代電磁流量計(jì)來測(cè)量腐蝕性液體、高粘度液體以及非導(dǎo)電性液體的流量；
（5）多聲道技術(shù)可縮短要求的直管段長度而仍然能保證較高測(cè)量精度；
?。?）可以從厚的金屬管道外側(cè)測(cè)量管內(nèi)流體的流速，無需對(duì)原有管道進(jìn)行任何加工，尤其適合應(yīng)用于大管徑、大流量場合。
相對(duì)傳統(tǒng)的流量計(jì)，超聲多普勒流量測(cè)量方法特點(diǎn)比較突出，適合多種工況條件和液體類型流量的測(cè)量，在工業(yè)流量測(cè)量中具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波流量測(cè)量的技術(shù)水平有了很大提高，但研究重點(diǎn)非常明顯地集中在血流測(cè)量等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超聲波工業(yè)管道流量測(cè)量方面的研究相對(duì)較少，且主要集中于時(shí)差式流量測(cè)量（以天然氣流量測(cè)量最為突出），在多普勒方法方面的研究不多，導(dǎo)致現(xiàn)有工業(yè)管道用超聲多普勒流量計(jì)的性能普遍不高，存在以下缺點(diǎn)：
（1）不能判斷流速方向；
?。?）低流速測(cè)量困難；
?。?）動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢、實(shí)時(shí)性差；
?。?）基本誤差一般為±（1%～10%）FS，重復(fù)性為0.2%～1%，相對(duì)時(shí)差式超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、電磁流量計(jì)等其它流量計(jì)而言精度比較低。
這些缺點(diǎn)極大限制了超聲多普勒流量計(jì)的推廣和使用。目前超聲多普勒流量計(jì)一般只在一些特殊場合下使用，比如便攜式測(cè)量、明渠流量測(cè)量、超大管徑流量測(cè)量等。
1.2 超聲多普勒流量測(cè)量研究進(jìn)展
1.2.1 多普勒流量測(cè)量模型
超聲多普勒流量測(cè)量技術(shù)在過去的幾十年中得到不斷發(fā)展，出現(xiàn)了多種測(cè)量模型，本章概括為分為連續(xù)波多普勒（CW Doppler）模型 、脈沖波多普勒（PW Doppler）模型、偽隨機(jī)多普勒模型和調(diào)頻多普勒（FM Doppler）模型 四種。CW Doppler流量測(cè)量采用收發(fā)分離的換能器，它們分別連續(xù)不斷地發(fā)射和接收超聲波信號(hào)并進(jìn)行后續(xù)處理，這種測(cè)量模型一般用于平均流速和流量的測(cè)量，詳細(xì)原理見本文4.2小節(jié)，本章主要介紹后面三種模型的研究進(jìn)展情況。
（1）PW Doppler模型
PW Doppler可采用收發(fā)共用的換能器，進(jìn)行間斷式的脈沖發(fā)射，并作時(shí)間的門控式（Time-Gate）選通接收，測(cè)量原理如圖1-1所示。
超聲換能器在起始時(shí)刻t0發(fā)射一串超聲脈沖，并延遲一段時(shí)間1 t后接收超聲回波信號(hào)，選通時(shí)間2 t決定了采樣的回波信號(hào)長度，對(duì)應(yīng)于取樣分析的散射體樣本大小，散射體樣本在超聲波傳播方向的長度為：
式中c0為流體中的聲速。散射體距離管壁的徑向位置為：
根據(jù)多普勒效應(yīng)，對(duì)時(shí)間長度為t2的取樣回波信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得到散射體速度：
式中fd為散射體樣本的多普勒頻移，f0為發(fā)射信號(hào)頻率。
通過改變延遲時(shí)間t1和選通時(shí)間t2，可得到超聲波傳播途徑上任意位置的任意大小散射體樣本的速度，從而可以測(cè)量流體在超聲波傳播方向上的流速分布。但這種方法存在一些缺點(diǎn)，如圖1-1，定義PRF為選通時(shí)間的脈沖重復(fù)頻率，由于PW Doppler流量測(cè)量可以檢測(cè)出的最高多普勒頻移只能是脈沖重復(fù)頻率的一半，因此PW Doppler方法能探測(cè)的最大深度為：
能夠測(cè)量的最大流速為：
并且最大探測(cè)深度和最大流速之間相互制約：
由于上述這些缺點(diǎn)，PW Doppler方法近年來逐步被一種新的時(shí)域相關(guān)技術(shù)所取代。
（2）偽隨機(jī)多普勒模型
偽隨機(jī)超聲多普勒流量測(cè)量模型的原理如圖1-2所示。
振蕩器產(chǎn)生高頻正弦波sinω0t，它被偽隨機(jī)信號(hào)調(diào)制并功率放大后成為發(fā)射信號(hào)st（t）：
式中M（t）是m序列二進(jìn)制偽隨機(jī)碼。st（t）遇到第i個(gè)散射目標(biāo)后返回到接收探頭的時(shí)間設(shè)為（t-τi），于是接收探頭接收到的回波信號(hào)為：
式中Ωi為第i個(gè)目標(biāo)的多普勒頻移。m序列經(jīng)延遲τk后為M（t-τk），與回波信號(hào)經(jīng)相關(guān)器解調(diào)后得到：
由m序列自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)可知：
如果隨機(jī)序列的N值相當(dāng)大，則上式第二項(xiàng)可以忽略，即：
這樣，調(diào)節(jié)延遲時(shí)間τk就可以選通不同深度的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行分析。
偽隨機(jī)多普勒流量測(cè)量方法與CW Doppler和PW Doppler方法相比較，其可以克服CW Doppler方法沒有距離選擇性以及PW Doppler方法的最大測(cè)量距離和最大可能測(cè)量速度受限制等缺點(diǎn)。
（3）FM Doppler模型，F(xiàn)M Doppler流量測(cè)量一般采用線性調(diào)頻方法，如圖1-3所示。
線性調(diào)頻的掃描振蕩器產(chǎn)生頻率從f1到f2的線性調(diào)頻信號(hào)：
式中tm為掃頻信號(hào)長度，掃頻速率
設(shè)散射質(zhì)點(diǎn)位于收發(fā)換能器的聲束軸線上，與換能器的距離約為R.在開始發(fā)射t =0時(shí)刻，運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)與換能器的距離為r，運(yùn)動(dòng)速度在超聲波傳播方向上的分量為u，則發(fā)射信號(hào)經(jīng)散射質(zhì)點(diǎn)反射回到接收換能器的時(shí)間為：
式中
則接收到的信號(hào)可以表示為：
式中：B包含了反射系數(shù)及發(fā)射幅度等各種幅度因子，并假設(shè)換能器具有平坦的頻響，傳播媒質(zhì)均勻且無傳輸損耗。送入乘法器的復(fù)參考信號(hào)為延遲了td=2R/c0的發(fā)射信號(hào)：
乘法器的輸出經(jīng)低通濾波后得到解調(diào)信號(hào)，該解調(diào)信號(hào)的相位有兩部分，一部分是和f1，s0，u，R等系數(shù)有關(guān)的多普勒頻率偏移量，另一部分是與u成正比的掃頻分量，其掃頻速度為：
Sd正比于散射體運(yùn)動(dòng)速度，因此對(duì)解調(diào)信號(hào)進(jìn)行頻域或時(shí)域分析，即可得到散射體速度的估計(jì)。
上述四種多普勒流量測(cè)量模型中，CW Doppler模型在傳統(tǒng)工業(yè)管道超聲多普勒流量計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用，而后面三種模型方法相對(duì)CW Doppler模型而言較為復(fù)雜，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，目前已有人研究將這些方法應(yīng)用到工業(yè)管道流場分布和流量的測(cè)量，但離產(chǎn)品化還有一定距離。
待續(xù)，下節(jié)看點(diǎn)：多普勒流量測(cè)量概述-信號(hào)解調(diào)方法等
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