时差法超声流量计的改进

      超声波流量计是从本世纪初发展起来的新型流量测量仪表，由于其具有压损小、适合大口径测量、通用性好、安装维修方便等优点，自问世以来，日益得到工业各界的广泛关注。目前，在超声流量测量仪表的研究与开发过程中，人们多致力于提高信号处理电路的精度研究。笔者认为，除了电路处理外，还要充分考虑现场的实际情况和仪表的优缺点，弥补仪表本身的不足之处，力求提高其精度和抗干扰能力，使仪表能够充分发挥作用。笔者从算法和测量方法上提出了以下几点改进意见。

      1 算法的改进

      1.1 夹装式时差法超声流量计算法的改进

      图1为夹装式时差法超声波流量计的测量原理，θ1为超声波在声楔中的入射角，θ2为声波在管壁中的折射角，θ3为声波在被测流体中的折射角；超声波在静止流体中的声速为c；流体的流速为v；忽略声波在声楔、管壁及处理电路中的时延τ，设

图1 夹装式时差法测量原理

      声波在流体中的传播路径为L（声道），那么超声波在顺流传播时通过被测流体所用的时间t12与逆流传播时所用的时间t21分别如式（1）和式（2）所示：

      　   　（1）

      　　（2）

      则传播时间差为

      　　（3）

      平均传播时间为

               　　（4）

      用（3）式除以（4）式得

      　         　（5）

      即

      　　　（6）

      根据Snell公式，θ1与θ3之间有如下的关系［1］：

　　        （7）

      式中cL1为声契中的纵波声速。

      将上式代入（6）式得：

        　  　（8）

      将（8）式与传统时差法流量仪表计算公式 v = （由（1）式与（2）式直接推导而得）相比较，可以看出后者式中由于θ3与L取决于流体中实际的声音传播速度c，当被测流体的工况（压力、温度等）发生变化时，声波传播速度也会发生变化，这两项参数也随之改变，因而给计算引入了较大误差。用公式（8）进行计算则不同：θ1为一固定值；cL1随工况变化而变化的程度显然远小于被测流体中c的变化，因而用公式（8）求得的结果消除了被测流体声速变化与折射角变化对测量的影响，比使用传统公式求得的结果要精确得多。

      1.2 接触式时差法超声流量计算法的改进

      接触式时差法超声波流量计的测量原理如图2所示，设波束在被测流体中的入射角为θ，则t12和t21可以分别用如下两式表示：

        　　（9）

　　       （10）

图2 接触式时差法测量原理

      同夹装式时差法超声波流量计一样，声波的顺、逆流传播时间差为：

      　　（11）

      平均传播时间

      　　           （12）

      因为声波在被测流体中的声速远大于流体的流速，有c2>>v2sin2θ，所以上式可以写作

                                                       　　（13）

      则有

                                                       　　（14）

      将式（11）与式（14）相除可得：

                                               　（15）

      即：

                                                   　　（16）

      式中

　　从式（16）可以看出，在接触式时差法超声波流量计中，L和θ固定不变，k是一个常数，该式消除了声速c的影响，被测流体的流速只与顺、逆流传播时间差及其算术平均值有关系，因而只要测得t12和t21，便可以求得当前被测流体的流速，从而提高了测量精度。且因L不变，可通过求得声波在流体中的实际声速。

　　从上面的分析中可以看到，由于的引入，不仅可以消除被测流体声速c对夹装式时差法超声流量计的直接影响，而且完全消除了声速c对接触式流量计的影响，使流速只与传播时间有关，大大提高了仪表的测量精度。更有意义的是，通过t的计算，可以求得当前被测流体中的声速，基于声速与流体物性的一一对应关系，可容易地查出流体密度，进而求得被测流体的质量流量，或用于进行流体识别与泄漏检测的研究，进一步拓宽了超声流量仪表的功能。

      2 用宽波束法进行流量测量

　　从图1可以看出，传统夹装式时差法超声波流量计是利用压电晶体的压电效应发射出超声波，经过两次折射以后进入被测流体，通过测量声波在流体中的顺、逆流传播时间来测量流量的。很显然这一波束是很窄的。因而在实际的现场操作时，对换能器安装的对准要求也比较高。当现场的工况（如被测流体的温度、压力或化学性质等）发生变化时，流体的声特性就会发生变化。由于折射角θ3取决于被测流体的声速，故而也将随之偏移。当折射角的偏移超出了接收换能器的接收范围，信号就会丢失，仪表也无法正常工作。为了解决这个问题，可以采用宽波束［3］的方法进行流量测量。

图3 宽波束法测量原理图

　　图3是宽波束法测流量的原理图，它在本质上仍然是采用的时差法，与传统方法所不同的是使用了一种新的波型——兰姆波（板波的一种），从而拓宽了仪表声信号的接收范围。兰姆波是板材所特有的波型，是横波与纵波的合成，当声波的入射角、发射频率、壁厚之间满足下面的关系式（17）、（18）和（19）时（兰姆波的产生条件［2］），就能够在薄板中产生出来，并且沿着板材的延展方向向前传播，其质点振动方向如图4所示。

（a）拉甫波                                     （b）兰姆波　
图4　质点振动方向和边界的关系

      　　（17）

　　       （18）

　　          （19）

      式中：p、q为常数，；
               f  为发射频率；
               b 为管壁的厚度；
               c1 为管壁中的纵波声速；
               cs 为管壁中的横波声速；
               cp 为管壁中的兰姆波相速度。

　　板波通常用于工业薄板探伤，但是利用兰姆波质点振动的特点（如图4），这种波型还可以应用于超声流量测量中。通过相应的波型模式选择，选取适当的入射角度和发射频率，仍旧可以利用压电晶体的压电效应向管壁中注入声能，产生出最适合的兰姆波波型。由于兰姆波是纵波和横波的合成形式，其管道内表面上的振动质点在轴向传播的同时，垂直于板面振动的横波成分会将部分能量以纵波的形式辐射到周围的被测流体中去，形成一组相互平行的波束，向对面管壁传播，并由安装在对面管壁上的接收换能器实现信号的接收。从图4可以看出，由于波束是沿着管壁传播的，向管道对面辐射出的声能范围相对较宽，这一宽波束将接收换能器完全覆盖，确保接收换能器不会因为流体中有气泡或被测流体物性变化引起的折射角度变化而使信号的接收受到干扰。其特点是：

      （1）降低了现场对换能器的安装要求；
      （2）能够提高仪表的抗干扰能力，仪表对现场环境的适应能力得到改善，仪表的可靠性也大大提高；
      （3）由于不用象传统方法那样对波束进行反复对准，宽波束测量法能够更为容易地达到精度要求。

      3 结束语

　　从算法和测量方法两个方面提出了对于时差法超声流量计的改进建议。算法上的改进提高流量计的测量精度的效果是显而易见的：t的引入，不仅可以消除被测流体物性变化对测量的影响，进而使仪表具有质量流量测量、泄漏检测、产品识别的能力；宽波束法流量测量方法是传统夹装式时差法超声流量计的发展方向之一。显然如果把算法与测量方法结合起来，夹装式仪表的性能将得到很大的提高。

      参考文献

      1 同济大学声学研究室.超声工业测量技术.上海：上海人民出版社，1977
      2 超声波探伤编写组.超声波探伤.北京：电力工业出版社，1980
      3 DavidW.IndustrialFlowMeasurement.Alexander:InstrumentSocietyofAmerica,1984