寬波束超聲波流量計的研究

    在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，經(jīng)常需要精確地計量和控制流體的流速和流量，傳統的接觸式流量計，如電磁流量計、渦輪流量計、孔板、差壓流量計等，均不同程度的受到力、磨損、腐蝕的影響，同時(shí)安裝時(shí)還要破壞管道。超聲波流量計由于精度較高，可以方便的安裝在管道外壁進(jìn)行非接觸測量，對被測流體無(wú)任何擾動(dòng)，可雙向測量，特別適用于大口徑管道腐蝕性、放射性和高壓流量的測量。超聲波流量計雖已廣泛應用，但也存在著(zhù)一些不足。本文討論的寬波束流量計在一定程度E對傳統的窄波束超聲波流量計存在的一些不足進(jìn)行改進(jìn)。

    1 傳統窄波束超聲波流量計存在的問(wèn)題

    傳統超聲波流量計雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它本身也存在著(zhù)一些不足：

    （1）超聲換能器安裝時(shí)，須正確計算接收換能器的安裝位置，并進(jìn)行反復對準=安裝位置的偏差會(huì )嚴重影響流量計的測量性能。
    （2）超聲波脈沖信號在流體中的傳播速度是聲速和流速的矢量合成，合成后的速度與管道軸向的夾角會(huì )隨著(zhù)流速或物性的變化而變化，會(huì )產(chǎn)生波束偏移，造成安裝于固定位置的接收換能器接收的信號明顯減弱甚至丟失，影響測量性能。
    （3）如果被測流體里含有懸浮顆粒和小氣泡，可能會(huì )反射中途傳播的超聲波，給測量帶來(lái)很大的誤差。
    （4）電子元件經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間工作，或受環(huán)境的影響，會(huì )引起電子元器件工作點(diǎn)發(fā)生變化，產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，這勢必會(huì )引起測量數值的不準確。

    2 寬波束的應用

    寬波束Lamb波在超聲波流量計中的應用則很好的對以上不足進(jìn)行了改進(jìn)。

    寬波束Lamb波是板波的一種，利用其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)特性，這種波形可應用于超聲流量測量中。Lamb波是縱波和橫波的合成形式，管道內表面上的振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)在軸向傳播的同時(shí)，垂直于板面振動(dòng)的橫波成分會(huì )將部分能量以縱波的形式輻射到周?chē)�的被測流體中去，形成一組相互平行的波束，向對而管壁傳播。經(jīng)反射后到達同側管壁，接收換能器接收信號，如圖1所示。

    Lamb波測量流體流量，本質(zhì)上仍然是采用時(shí)差法，但是由圖1可以看出，由于波束是沿著(zhù)管壁傳播的，向管道對面輻射的聲能范圍相對較寬，能夠完全覆蓋接收換能器甚至其左右相當一段距離，接收范圍很大，從而降低了現場(chǎng)對換能器的安裝要求。它不像傳統方法那樣對波束進(jìn)行反復對準，并且不會(huì )因被測液體的速度或物性變化造成的波束偏移使接收信號明顯衰減或丟失。由于傳播的是一組波，流體中有懸浮顆�；蛐∫旱尾豢赡馨颜�組波束都反射掉，從而保證了能可靠地接收信號?這使超聲波流量計適用于更寬的流速范圍和流體條件。

    另外，從圖1中可以看出，超聲波能通過(guò)兩條不同的通道從換能器A傳送到換能器B。第一條通道與傳統超聲波流量計一樣，經(jīng)過(guò)管壁-流體-管壁。第二條通道僅需通過(guò)管壁在換能器之間傳播聲波。由于液體流動(dòng)不會(huì )影響管壁里的聲波，所以在這個(gè)通道里往返傳播時(shí)問(wèn)應該是相同的。當零點(diǎn)產(chǎn)生漂移時(shí)，在第二條通道內就會(huì )產(chǎn)生相應的時(shí)問(wèn)差Δt。利用這個(gè)Δt對第一通道中測得的順逆流時(shí)問(wèn)進(jìn)行修正，從而不需要停止流量就能消除零點(diǎn)漂移，克服了傳統超聲波流量計中的零點(diǎn)漂移造成的不準確測量。

    3 寬波束Lamb波的激發(fā)

    寬波束超聲波流量計的最大特點(diǎn)是寬波束Lamb波在流量計中的應用。Lamb波的產(chǎn)生需要滿(mǎn)足以下關(guān)系式：

    式中：

    p、q為常數；
    θ為縱波入射角；
    C_n為發(fā)射探頭聲楔中的縱波速度；
    ；
    f為發(fā)射頻率；
    b為管壁的厚度；
    C_l為管壁中的縱波聲速；
    C_t為管壁中的橫波速度；
    C_p為管壁中的蘭姆波相速度。

    當超聲探頭和管壁厚度材質(zhì)確定后，可以根據式（1）~式（3）計算出多個(gè)滿(mǎn)足公式的Lamb波型，分別為對稱(chēng)型S₀、S₁、S₂…，非對稱(chēng)型A₀、A₁、A₂…，每個(gè)波型都對應著(zhù)一個(gè)不同的激發(fā)頻率。以不銹鋼管道為例，管材中的縱波聲速c_l=5790m/s，橫波聲速C_t=3200m/s，管壁b=4.12mm；超聲探頭θ₁=40°，聲楔縱波速度C_l1＝2290m/s。則根據式（1）~式（3）計算，結果如表1所示。

表1

    然后根據所用超聲探頭諧振頻率選擇合適的波型，其對應頻率作為超聲探頭激發(fā)Lamb的發(fā)射頻率。另外，在Lamb波激發(fā)時(shí)，要使整個(gè)管壁都產(chǎn)生振動(dòng)，這就需要脈沖的持續時(shí)間足夠長(cháng)（一般10~100個(gè)持續脈沖即可達到要求）。

    4 寬波束超聲波流量計的結構設計

    寬波束超聲波流量計的系統結構如圖2所示。上電后，單片機根據鍵盤(pán)輸入的管道壁厚、流體介質(zhì)等測量條件，根據式（1）~式（3）對激發(fā)Lamb波所需的發(fā)射頻率進(jìn)行計算，并把結果送復雜可編程邏輯器件CPLD，CPLD產(chǎn)生相應的激發(fā)脈沖，經(jīng)發(fā)射驅動(dòng)電路后激發(fā)探頭向管道發(fā)出超聲波。一定時(shí)問(wèn)后另一探頭接收到信號，由CPLD利用其高頻特性實(shí)現兩個(gè)通道內聲波傳播時(shí)間的精確計量。計量結果送單片機處理，并通過(guò)切換電路完成順逆流方向收發(fā)電路的切換工作，進(jìn)行下一次的反向測量。最后單片機根據順逆流的時(shí)間得出流體的體積流量和質(zhì)量流量，并送LCD顯示和打印。

    這里主要介紹鎖相濾波電路。因為寬波束超聲波流量計與普通超聲波流量計不同的是其發(fā)射頻率隨著(zhù)管壁情況的變化而變化，所以接收信號如果采用固定中心頻率的帶通濾波就不能滿(mǎn)足需要了。本文采用鎖相跟蹤帶通濾波器，其結構如圖3所示。

    把激發(fā)探頭的脈沖信號作為鎖相環(huán)電路的輸入，32倍頻后輸出作為32位開(kāi)關(guān)電容帶通濾波器的時(shí)鐘。32位開(kāi)關(guān)電容帶通濾波器時(shí)鐘頻率與濾波器中心頻率的比值f_clk/f₀=32，這就使得帶通濾波器的中心頻f₀始終跟蹤激發(fā)頻率也就是接收信號頻率的變化。這樣，不管接收信號的頻率是多少，濾波器都能夠有效地抑制或消除無(wú)用信號成分通過(guò)有用信號，獲得良好的濾波效果。

    此外，由于超聲波流量計測量管道直徑和流體流速的范圍均很大，接收信號的幅值有很大的不同。本文采用TL441集成對數放大器對接收信號進(jìn)行縮放，使放大后信號的幅值保持在同一個(gè)數量級，保證信號的可靠接收。

    5 實(shí)驗與結果

    本文進(jìn)行了寬范圍內信號接收的實(shí)驗，以驗證寬波束超聲波流量計具有很寬的接收范嗣。

    實(shí)驗裝置：管道D=80mm；管壁厚度b=4.12mm；管材：不銹鋼；管材中的縱波聲速：c_l=5790m/s，橫波聲速：c_t=3200m/s；

    超聲探頭：聲楔材料：聚砜；入射角：θ₁=40°；聲楔縱波速度：c_l1=2290m/s；測量介質(zhì)：水，流動(dòng)。

    探頭采取V型安裝，為了清楚觀(guān)察在不同距離時(shí)的信號強度，只采用兩級運算放大。實(shí)驗時(shí)在第1通道信號快要到達時(shí)再接通接收電路，避免第2通道對本實(shí)驗的影響。根據式（1）~式（3）計算，選擇激發(fā)頻率為750kHz。實(shí)驗結果如表2所示。

表2 信號幅值和換能器間距的對應關(guān)系

    由表2可以看出，寬波束超聲波流量計在56~156mm范圍均能接收到清晰信號。這證明了寬波束流量計的最大優(yōu)點(diǎn)，即具有很寬的接收范圍。

    6 結論

    實(shí)驗證明，將Lamb波應用于超聲波傳感器，實(shí)現了測量聲波成組發(fā)射傳播，在很寬的范圍內都能接收到有效信號。降低了超聲波傳感器的安裝要求，在很大程度上消除波束偏移和流體中懸浮顆粒等反射信號對測量性能的影響。并能夠實(shí)現不斷流自動(dòng)調零，保證了測量數據的準確性。所以，寬波束超聲波流量計具有更優(yōu)良的性能，適用于更寬的流速范圍和流體條件。

    參考文獻

    1 馬文安，影響便攜式超聲波流量計測量精度的因素分析.太原科技.2002，1.