超聲波在介質中傳播聲速對測量結果的影響

馬云峰，于勁竹

（天津市計量監督檢測科學研究院，天津 300192）

超聲波流量計是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表，其通過測量順流時間和逆流時間差來推算出管道中被測流體的流速，進而算出流量值。超聲波流量計是一種非接觸式測量設備，測量過程中不需破壞管道，不需停產，無壓損。現已在工業生產、供水、能源計量等領域得到廣泛應用[1]。

1 超聲波流量計測量原理

超聲波流量計按測量方法的不同大致可分為時差法、頻差法、相位法和多普勒法等，目前便攜式超聲波流量計最常采用的是時差法，時差法超聲波流量計測量原理如圖1 所示。圖中A 與B 為一對超聲波換能器，超聲波信號從A 到B 的傳輸時間tAB與從B 到A 的傳輸時間tBA如下所示：

圖1 超聲波流量計測量原理圖Fig.1 Ultrasonic flowmeter measuring principle diagram

超聲波傳輸時間差Δt 為

由于C?Vm，式（3）可簡化為

式中：L 為超聲波在管道中傳播的聲程，mm；Vm為流體在管道中的流速，m/s；C 為超聲波在管道內介質中的聲速，m/s；D 為管道內徑，mm。

2 影響時差法超聲波流量計測量精度的影響因素

從時差法超聲波流量計的測量原理可知，影響其測量精度的主要有以下3 個方面原因：①機械方面，主要與管道的幾何參數有關；②電子方面，與測量的時間間隔有關；③物理性質方面，與流體的物理性質有關。

在這3 個因素中，第一個因素可以通過準確測量被測管道的外直徑和壁厚解決，同時選擇合適的探頭安裝方式。第二個因素，時間間隔的準確測量既與探頭之間的安裝是否準確有關，還與超聲波流量計本身信號采集與處理的精度有關。市場上例如FLEXIM、SIEMENS、Fuji 等大品牌超聲波流量計生產廠家已經取得技術性突破，使得超聲波流量計的測量精度可達到0.5 級。在實際測量中，往往忽視流體本身的物理性質對于測量結果的影響。超聲波在流體中的傳播速度與流體的溫度和流體本身的物理性質有關，便攜式超聲波流量計的基本參數設定中需要輸入介質類型與溫度，系統根據參數的設定調用超聲波在被測介質中的聲速，假設上述2 個參數輸入存在偏差，勢必會造成測量結果與實際值存在偏差。

由式（4）可以看出，在流速Vm、管道內徑D 和角度φ 為常數的情況下，時間差Δt 與超聲波在管道中傳播速度C 的平方成反比關系，即Δt 的誤差將是聲速C 的誤差的兩倍。

3 超聲波在介質中聲速的測量

測量超聲波介質中的聲速有多種方法，如改變頻率發射法[2]、超聲光柵法[3]、共振干涉法[4]、相位法[4]和反射回波法[4]等。經試驗驗證，相位法在測量液體介質時準確度較高[5]。

測量聲速一般的方法是在給定聲音信號的頻率f 情況下，測量聲信號的波長λ，聲速u 由式（5）計算得出：

相位法試驗裝置示意圖如圖2 所示，它由壓電陶瓷換能器S1和S2、示波器、信號發生器和游標卡尺組成。S1和S2固定在游標卡尺上，它們之間移動的距離由游標卡尺讀出。在給定頻率f 的情況下，移動換能器之間的距離，使得示波器上重復出現Lissajous 圖形，如圖3 所示。

圖2 相位法試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of phase method test device

圖3 Lissajous 圖形Fig.3 Lissajous graphics

當相位差為2π 的整數倍時即λ 的整數倍時，圖形會重復出現同樣斜率的一條直線，這樣可根據式（5）計算聲速。

溫度為20℃時，超聲波在水中的理論傳播速度為1480 m/s，使用相位法測量超聲波聲速的結果如表1 所示。

4 結語

從上文的數據可以看出，使用相位法試驗裝置可較為準確地測量超聲波在介質中的聲速。對于管道內被測介質的聲速未知或者管道內介質的溫度變化較大的情況下，可避免較大的測量誤差。