時(shí)差式超聲流量計環(huán)鳴法測量的研究

超聲流量計是通過(guò)檢測流體流動(dòng)對超聲束或超聲脈沖的作用來(lái)測量流量的儀表。作為一種非接觸式測量?jì)x表，它相對于傳統的流量計而言具有可進(jìn)行非接觸式測量、原理上不受管徑限制、其造價(jià)基本與管徑無(wú)關(guān)、可測量含有氣泡的液體等優(yōu)點(diǎn)。

對封閉管道用超聲流量計來(lái)說(shuō)，按其測量原理可分為傳播時(shí)間法、多普勒效應法、波束偏移法、相關(guān)法等。

本文采用傳播時(shí)間法。超聲波在流體中傳播時(shí)，與聲波在靜止流體中傳播的速度相比，順流方向聲波傳播速度會(huì )增大，逆流方向則會(huì )減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間。利用傳播時(shí)間之差與被測流體流速之間的關(guān)系求得流速，稱(chēng)為傳播時(shí)間差法。通過(guò)接收穿過(guò)流體的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據時(shí)差的表現形式不同，又可以分為時(shí)差法、相位差法和頻差法。時(shí)差式流量計工作模型如圖1所示。

圖1中，兩個(gè)換能器固定在輸液管道的同一側，聲波從換能器T1發(fā)出，經(jīng)過(guò)輸液管道另一側的內壁，反射到接收換能器T2。兩個(gè)換能器也可以固定在輸液管道的上下兩側，聲波由換能器T1發(fā)出，直接傳播到換能器T2。發(fā)射和接收聲波的振子密封在換能器的腔體里，其輻射面與端面成一個(gè)角度θ1，腔體里用透聲材料填充。由于換能器中填充材料、管道材料、管道中流體材料的不同，它們的聲速也不同，因此聲波傳播到介面處會(huì )有折射。這里假設折射角為θ2、θ3。流量計在工作時(shí)，換能器T1、T2輪流做發(fā)射和接收。因為管中的液體是流動(dòng)的，聲波由T1傳到T2(正程)和由T2傳到T1(逆程)的傳播時(shí)間是不同的。正程、逆程兩個(gè)傳播時(shí)間的差反映出液體的流速、流量。

以換能器T1為例。聲波由A到B再傳到C，在這一段傳播過(guò)程中，因為沒(méi)有流體參與，傳播時(shí)間是固定不變的。在這里，把聲波在換能器填料、管壁中傳播時(shí)間記為t延。在尋找正程與逆程之間的時(shí)間差時(shí)，不必考慮t延，只考慮在液體中傳播的正程、逆程的傳播時(shí)間差就可以了。

這里，設D為輸液導管內徑；d為壁厚；V流為液體流動(dòng)速度；V介為液體的聲速；θ3為折射角；t正為聲波由T1到T2的傳播時(shí)間；t逆為聲波由T2到T1的傳播時(shí)間。

用聲學(xué)模型可得如下公式：

由上述推導可以看出，只要得到t正和t逆，管道中的液體流速V就可以算出。時(shí)差法與頻差法和相位差法之間原理方程式的基本關(guān)系為：

式中：Δf為頻率差；Δφ為相位差；f正、f逆為超聲波在流體中順流和逆流的傳播頻率；f為超聲波的頻率。

從中可以看出，相位差法本質(zhì)上和時(shí)差法是相同的，而頻率與時(shí)間又互為倒數關(guān)系，三種方法沒(méi)有本質(zhì)的區別。

普通方法測量時(shí)間差

所存在問(wèn)題分析

從上述公式的推導中可以看出，要運用傳播時(shí)間測流量時(shí)，最關(guān)鍵的測量量就是順逆流傳播時(shí)間差，只有精確得到這個(gè)時(shí)間差，流量才能由其導出。

對于小口徑、低流速的情況，順逆流的時(shí)差非常短，典型最大流量對應的時(shí)差僅約20ns，精確測量難度很大，需要極高的時(shí)鐘頻率。如果測量方法粗放，這個(gè)極小的時(shí)間量很可能被淹沒(méi)在測量的誤差中。因此，如何才能測量到這個(gè)時(shí)間量，并使其盡可能精確，就是本文要研究的環(huán)鳴法的關(guān)鍵所在。

環(huán)鳴法的設計確定

環(huán)鳴法的產(chǎn)生

為了解決時(shí)間差值太小的的問(wèn)題，環(huán)鳴法利用了讓小的量不斷積累，使總體值增大，得到總量后再做平均的思想。環(huán)鳴法總方框圖如圖2所示。