基于“環(huán)鳴法”的改進(jìn)時(shí)差法流量計優(yōu)化研究

1 研究背景及意義

隨著(zhù)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，流量逐漸成為流程工業(yè)測量三大主題內容之一，它給人們的日常生活和工作帶來(lái)無(wú)限的便利，提高生活質(zhì)量的同時(shí)也提高了經(jīng)濟效益�，F如今無(wú)論是氣體還是液體的測量問(wèn)題都與工業(yè)生產(chǎn)息息相關(guān)，流量計量也成為生活和生產(chǎn)中重要的部分。

1955年，美國科學(xué)工作者制造出一款超聲波流量計，該流量計采用“環(huán)鳴法”流量測量技術(shù)，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。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，流量計隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展和智能型控制器的發(fā)展不斷飛速前進(jìn)。到21世紀，數字信號處理技術(shù)發(fā)展迅猛，流體力學(xué)和新型材料的研究也日趨完善，超聲波流量測量技術(shù)在此基礎上取得了突破性進(jìn)展，表現出強勁的發(fā)展勢頭和無(wú)限的市場(chǎng)發(fā)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(gè)物理量，表征了在單位時(shí)間內通過(guò)管道橫截面積的流體量，通常流量用體積流量或質(zhì)量流量表示。qv和qm分別表示為：

    （1）

    （2）

    （3）

式中，V表示流體體積，m表示流體質(zhì)量，t表示時(shí)間，ρ表示流體密度，v表示管內平均流速，D表示管道直徑，A表示管道橫截面積。

2.2 時(shí)差法

時(shí)差法是根據超聲波信號在流體中順、逆流傳播的時(shí)間差來(lái)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(tài)時(shí)的傳播速度為c，流體的流動(dòng)速度為v，流體管道內徑為D，超聲波發(fā)射角為θ，換能器（以下都稱(chēng)作探頭）P1和P2夾裝在管道的兩側。

圖1 時(shí)差法超聲波流量測量原理圖

探頭發(fā)射超聲波發(fā)射脈沖信號，在順流傳播情況下的傳播時(shí)間為：

    （4）

在逆流傳播情況下的傳播時(shí)間為：

    （5）

順、逆流傳播時(shí)間差為：

    （6）

由于超聲波在流體保持靜止狀態(tài)時(shí)的傳播速度c遠大于流體流動(dòng)速度v，所以可認為得到：

    （7）

由此可得時(shí)間差與流體速度v的關(guān)系式：

    （8）

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(huì )對測量結果的準確度產(chǎn)生影響，所以有必要對流體溫度進(jìn)行補償，也就是對基于時(shí)差法流量測量方法進(jìn)行改進(jìn)，原理如下：

順流方向超聲波脈沖在流體中的傳播速度為：

    （9）

逆流方向超聲波脈沖在流體中的傳播速度為：

    （10）

兩式相減：

    （11）

由式（11）與式（8）相比，改進(jìn)時(shí)差法公式（11）中無(wú)聲速c，只需測出超聲波脈沖順流和逆流傳播時(shí)間t_s和t_n，就能求出流速v，避開(kāi)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：

     （12）

3 “環(huán)鳴法”流量計的研究

從改進(jìn)的時(shí)差法的公式（12）中可知要得到流體的流量，關(guān)鍵是得到參數t_s、t_n以及時(shí)間差Δt，時(shí)間測量結果越精確，測出的流體流量越接近真實(shí)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(shí)間差極其短暫，想要準確捕捉這一時(shí)間差難度很大。以以下系統為例，簡(jiǎn)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(shí)間差數量級問(wèn)題。

如圖1中，假設D=6mm，d=2mm，聲速c=3000m/s，V=0.01m/s（假設這個(gè)值是本設計中的超聲波流量計能測出的最小流速），θ₁=θ₂=45°，可得到：

（1）超聲波信號從探頭P1到探頭P2的順流傳播時(shí)間：t_s=14.28us

（2）超聲波信號從P2到P1的逆流傳播時(shí)間：；

（3）t_s和t_n的時(shí)間差：Δt=0.44us

從系統數據以及測量到的時(shí)間數據可知，聲波從發(fā)射端傳播到接收端一次所需的時(shí)間大約是14us，且順、逆流傳播時(shí)間十分接近，所以順、逆流傳播時(shí)間差也非常小，大概只有0.44us。這極小的時(shí)間差，就算系統的定時(shí)周期再小也幾乎不能捕捉到這個(gè)數據，且假如時(shí)間測量電路的設計較為粗略，這個(gè)極小的時(shí)間差數據極有可能會(huì )被測量誤差湮沒(méi)。

環(huán)鳴法超聲流量計是一個(gè)非介入式液體流量測量?jì)x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(guò)管壁進(jìn)行發(fā)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(huán)鳴法”是它的特色，故稱(chēng)它為“環(huán)鳴法”超聲流量計。流程結構如圖2所示，具體實(shí)現方法如下：順流情況下，當發(fā)射換能器P1發(fā)射超聲波，經(jīng)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(fā)P1再次發(fā)射超聲波信號，按此傳播方式順流傳播10000次后定時(shí)器定時(shí)結束并記錄下超聲波順流傳播10000次的總時(shí)間Σt_s，然后控制通道選擇電路，進(jìn)行探頭切換；再令P2發(fā)射，P1接收，當P1接收信號時(shí)，馬上讓P2再次發(fā)射，再經(jīng)過(guò)10000次如此循環(huán)就可得到逆向發(fā)射總時(shí)間Σt_n。Σt_s、Σt_n兩個(gè)總時(shí)間作差，可得到總時(shí)間差 ΣΔt。最后對ΣΔt取平均值，即可作為超聲波單次順、逆流的傳播時(shí)間，然后按公式（12）計算可得到流體流量。

圖2 流量測量流程結構圖

由測量帶來(lái)的誤差經(jīng)過(guò)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(shí)上，這樣給10000次測量帶來(lái)的誤差遠比給單次測量帶來(lái)的誤差小的多，通過(guò)測量得到小管徑管道流體的傳播時(shí)間差就成為了可能。這就解決了小管徑測量的時(shí)間難捕捉的問(wèn)題，也就是環(huán)鳴法流量計的優(yōu)勢所在。

4 結論

（1）在傳統的時(shí)差法測流體流速的基礎上提出一種改進(jìn)的時(shí)差算式，這種改進(jìn)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(guò)數據模型舉例說(shuō)明的方法指出環(huán)鳴法較一般測量方法的優(yōu)越之處；

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