时差法超声波流量计

时差法超声波流量计

1 引言

超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的计量仪表。凭借其非接触测流、仪表造价基本上与被测管道口径大小无关、精度高、测量范围大、安装方便、测试操作简单等自身的优势被认为是较好的大管径流量测量仪表，在电力、石油、化工特别是供水系统中被广泛应用。随着超声波流量计的技术的不断成熟和用户对它的逐渐认可，超声波流量计市场正以前所未有的发展速度向前发展。

2 超声波流量计分类

根据对信号检测的原理，超声波流量计可分为多普勒法、波束偏移法、噪声发、相关法等。 2.1 多普勒法

多普勒法是应用声学中多普勒原理，检测反射声波与发射声波之间的频率偏移量即可以测定流体的流动速度，进而测出流体流量。其工作原理如图1所示。

图1 多普勒法工作原理图 Fig.1 Theory of Doppler approach

管壁两侧分别装有发射和接收两个超声波换能器，发射器向含有固体颗粒的流体中发射频率为0f 的连续超声波。根据多普勒效应，在中间相交区的频率为1f ，接收器收到的经固体颗粒反射后的超声波频率为

2f ，当粒子流速均为u 时，其关系为：

)sin 21()sin 1()sin 1(02012C

u f C u f C u f f β

ββ-≈-=-

= (1) β

sin 2)(020f C

f f u -=

(2)

多普勒法只能用来测量含有固体颗粒的流体，比如血液、污水、蒸汽等。 2.2 波束偏移法

波束偏移法是根据测量由于流体流动而引起的超声波束偏移角来确定流体流速的。其测量原理如图2所示。

图2 波束偏移法原理图

Fig.2 Theory of beam-excursion approach

流速越大，偏移角越大，而两接收器收到的信号强度差值也越大，因此测出两接收器的信号强度差值可确定流体的流速。波束偏移法用于测量准确度要求不高的高速流体流量测量。

3 时差法原理

3.1 时差法

时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速。基本原理如图3所示。

图3 时差法工作原理图 Fig.3 Theory of transit-time method

超声波换能器A 、B 是一对可轮流发射或接收超声波脉冲的换能器。设超声波信号在被测流体中的速度为C ，顺流从A 到B 时间为1t ，逆流从B 到A 时间为2t ，外界传输延迟总时间为0t 。则由几何关系可知

01sin cos /t v C d t ++=

θ

θ

(3)

02sin cos /t v C d t +-=

θ

θ

(4)

由于2

C >> θ2

2

sin v ,则

2

22212tan 2sin tan 2C dv v C dv t t t θ

θθ≈

-=

-=∆ (5) t d C v ∆=

θ

tan 22

(6)

3.2 流速分布修正

在上文的讨论中，我们提到的流速V 都是理想状态下的截面平均流速。在实际中，由于流速分布不均匀，需根据流体力学原理加以修正。

v n n

v K

v 1

221

+=

=

(7)

n

n K 21

2流量修正系数+=

其中n 是和雷诺数(Re)相关的值。雷诺数（Re ）一种可用来表征流体流动情况的无量纲数，是流体流动状态的一个判断依据。

表1 n 与Re 关系

Tab.1 The relationship between n and Re

Re 4.0×10^3

2.3×10^4 1.1×10^5 1.1×10^6 >2.4×10^6

n

2.0

2.6

7.0

8.8

10.0

3.3 折射角θ修正

θ角随声速C 的变化而变化，而C 又是流体温度的函数。因此，必须对θ角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。可通过修正C 的大小从而实现对θ修正，下文通过算法消去C ，从而避免修正问题。

4 总体设计

4.1 换能器安装

对于时差法流量计来说，通常有三种不同安装形式：平行式、Z 型、V 型

图4 换能器安装位置

Fig.4 The installation of ultrasonic transducer

本设计中，我们的换能器将采用V 字型安装，这样既可以提高系统的分辨率、方便安装，让超声波在管壁对侧反射一次的方法又可以增加路径长度、减少流速断面分布不均匀的误差。

图5 基本声学原理图 Fig.5 A coustic principium

由图5及前面讨论可知

1

cos /2sin t d v C θ

θ=

+ 2

cos /2sin t d v C θ

θ=

- (8)

θ

2sin )

(22112t t t t d v -=

(9)

式(8)中两式相减消去C,得到式(4-3),从而避免了温度影响问题。

由于超声波速度远大于流速，一般△t 很小，对系统时钟要求较高，难以实现。从而采用多脉冲计数法提高测量精度，降低硬件要求。具体原理如图6所示。

图6 多脉冲法原理图 Fig.6 Multi-beams of ultrasonic

取足够多次数N 次以后的顺逆流时间s t 和r t 。由式(11)得到时间差△t 。

1

1

)(Nt i t t N

i

s +=

∑= 21

'

)(Nt i t t N

i

r +=

∑= (10)

由于外界传输时间2t =1t ，所以

N

t t t t t s

r -=

-=∆)(12 (11) 5 硬件和软件设计

5.1 系统硬件框图

主要由两部分组成：时差信号采集部分和信号处理及人机接口部分。