基于“環鳴法”的改進時差法流量計優化研究

遲　杏（貴州省機械工業學校,貴陽550000）

基于“環鳴法”的改進時差法流量計優化研究

遲杏
（貴州省機械工業學校,貴陽550000）

超聲波流量計是基于超聲波在流體中的傳播時間差法來測量流體流量的測量儀表。本文分析了超聲波流量計的測量原理，提出了采用基于“環鳴法”的改進時差法的流量測試方法。這一改進設計一方面有效彌補了流體溫度變化對測量結果準確度的影響，另一方面提出了針對小管徑、低流速系統的流量測量方法。

超聲波流量計；時差法；環鳴法

1　研究背景及意義

隨著工業技術的發展，流量逐漸成為流程工業測量三大主題內容之一，它給人們的日常生活和工作帶來無限的便利，提高生活質量的同時也提高了經濟效益[1]。現如今無論是氣體還是液體的測量問題都與工業生產息息相關，流量計量也成為生活和生產中重要的部分[2]。

1955年，美國科學工作者制造出一款超聲波流量計，該流量計采用“環鳴法”流量測量技術，并成功用在航空燃料油的流量測量上，這款流量計是世界上的第一臺流量計[3]。經過幾十年的發展，流量計隨著電子技術的發展和智能型控制器的發展不斷飛速前進。到21世紀，數字信號處理技術發展迅猛，流體力學和新型材料的研究也日趨完善，超聲波流量測量技術在此基礎上取得了突破性進展，表現出強勁的發展勢頭和無限的市場發展空間。

2　超聲波流量計的原理

2.1流量測量的基本概念

流量是一個物理量，表征了在單位時間內通過管道橫截面積的流體量，通常流量用體積流量或質量流量表示。和分別表示為：

2.2時差法

時差法是根據超聲波信號在流體中順、逆流傳播的時間差來測量流量的一種方法。如圖1所示，超聲波在流體保持靜止狀態時的傳播速度為c，流體的流動速度為v，流體管道內徑為D，超聲波發射角為，換能器（以下都稱作探頭）P1和P2夾裝在管道的兩側。

探頭發射超聲波發射脈沖信號，在順流傳播情況下的傳播時間為：

在逆流傳播情況下的傳播時間為：

順、逆流傳播時間差為：

由于超聲波在流體保持靜止狀態時的傳播速度c遠大于流體流動速度v，所以可認為，得到：

由此可得時間差與流體速度v的關系式：

公式(8)中含有聲速c，考慮到超聲波在流體中的傳播速度受流體溫度變化的影響，會對測量結果的準確度產生影響，所以有必要對流體溫度進行補償，也就是對基于時差法流量測量方法進行改進，原理如下：

順流方向超聲波脈沖在流體中的傳播速度為：

逆流方向超聲波脈沖在流體中的傳播速度為：

兩式相減：

由式(11)與式(8)相比，改進時差法公式(11)中無聲速c，只需測出超聲波脈沖順流和逆流傳播時間ts和tn，就能求出流速v，避開了流體溫度的影響因素，在一定程度上改善了系統的測量精度，但這種測量方法要求系統具有較強大的數據處理能力。

根據式(11)和(1)，可得到流體的體積流量：

3　“環鳴法”流量計的研究

從改進的時差法的公式(12)中可知要得到流體的流量，關鍵是得到參數ts、tn以及時間差，時間測量結果越精確，測出的流體流量越接近真實值。

對于被測流體管道內徑較小、流速較低的流量測量系統，超聲波在流體中傳播的順、逆流的時間差極其短暫，想要準確捕捉這一時間差難度很大。以以下系統為例，簡要證明內徑小、流速低的測量系統中超聲波信號順、逆流傳播一次的時間差數量級問題。

如圖1中，假設D=6mm，d=2mm，聲速c=3000m/s，V=0.01m/ s（假設這個值是本設計中的超聲波流量計能測出的最小流速），，可得到：

（3）ts和tn的時間差

從系統數據以及測量到的時間數據可知，聲波從發射端傳播到接收端一次所需的時間大約是，且順、逆流傳播時間十分接近，所以順、逆流傳播時間差也非常小，大概只有。這極小的時間差，就算系統的定時周期再小也幾乎不能捕捉到這個數據，且假如時間測量電路的設計較為粗略，這個極小的時間差數據極有可能會被測量誤差湮沒。

環鳴法超聲流量計是一個非介入式液體流量測量儀器。儀器不必觸及到流體，只要把換能器夾裝在輸液管道上，超聲波透過管壁進行發射和接收，就可測出流體在管中的流速和流量。此方案主要是針對細小管道提出的，“環鳴法”是它的特色，故稱它為“環鳴法”超聲流量計。流程結構如圖2所示，具體實現方法如下：順流情況下，當發射換能器P1發射超聲波，經流體傳播后到達換能器接收端P2,P2接收到超聲波后立即觸發P1再次發射超聲波信號，按此傳播方式順流傳播10000次后定時器定時結束并記錄下超聲波順流傳播10000次的總時間，然后控制通道選擇電路，進行探頭切換；再令P2發射，P1接收，當P1接收信號時，馬上讓P2再次發射，再經過10000次如此循環就可得到逆向發射總時間。、兩個總時間作差，可得到總時間差。最后對取平均值，即可作為超聲波單次順、逆流的傳播時間，然后按公式(12)計算可得到流體流量。

由測量帶來的誤差經過10000次累加后，其均值向零逼近，測量的偏差只出現在接收換能器的最后一次接收停止計時上，這樣給10000次測量帶來的誤差遠比給單次測量帶來的誤差小的多，通過測量得到小管徑管道流體的傳播時間差就成為了可能。這就解決了小管徑測量的時間難捕捉的問題，也就是環鳴法流量計的優勢所在。

4　結論

（1）在傳統的時差法測流體流速的基礎上提出一種改進的時差算式，這種改進的方法可有效消除流體溫度的變化對超聲波傳播速度的影響；

（2）通過數據模型舉例說明的方法指出環鳴法較一般測量方法的優越之處；

（3）改進后的超聲波流量計具有非浸潤式的特點，采用環鳴法得到順、逆流傳播時間，可精確測出待測流體的流量，而高精度的時間差數據則反映出系統具有較高的測量準確度。

[1]蘇彥勛，李金海.流量計量[M].北京:中國計量出版社,1991.

[2]梁國偉，蔡武昌.流量測量技術與儀表[M].北京:機械工業出版社,2002.

[3]趙鑫,金寧德,王化祥.相關流量測量技術發展[J].化工自動化及儀表,2005,32(01):1-5.