時差式超聲流量計環(huán)鳴法測量的研究

超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲束或超聲脈沖的作用來測量流量的儀表。作為一種非接觸式測量儀表，它相對于傳統(tǒng)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、其造價基本與管徑無關(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說，按其測量原理可分為傳播時間法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法等。

本文采用傳播時間法。超聲波在流體中傳播時，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增大，逆流方向則會減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間。利用傳播時間之差與被測流體流速之間的關(guān)系求得流速，稱為傳播時間差法。通過接收穿過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(jù)時差的表現(xiàn)形式不同，又可以分為時差法、相位差法和頻差法。時差式流量計工作模型如圖1所示。

圖1中，兩個換能器固定在輸液管道的同一側(cè)，聲波從換能器T1發(fā)出，經(jīng)過輸液管道另一側(cè)的內(nèi)壁，反射到接收換能器T2。兩個換能器也可以固定在輸液管道的上下兩側(cè)，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有折射。這里假設(shè)折射角為θ2、θ3。流量計在工作時，換能器T1、T2輪流做發(fā)射和接收。因?yàn)楣苤械囊后w是流動的，聲波由T1傳到T2(正程)和由T2傳到T1(逆程)的傳播時間是不同的。正程、逆程兩個傳播時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，在這一段傳播過程中，因?yàn)闆]有流體參與，傳播時間是固定不變的。在這里，把聲波在換能器填料、管壁中傳播時間記為t延。在尋找正程與逆程之間的時間差時，不必考慮t延，只考慮在液體中傳播的正程、逆程的傳播時間差就可以了。

這里，設(shè)D為輸液導(dǎo)管內(nèi)徑；d為壁厚；V流為液體流動速度；V介為液體的聲速；θ3為折射角；t正為聲波由T1到T2的傳播時間；t逆為聲波由T2到T1的傳播時間。

用聲學(xué)模型可得如下公式：

由上述推導(dǎo)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)上和時差法是相同的，而頻率與時間又互為倒數(shù)關(guān)系，三種方法沒有本質(zhì)的區(qū)別。

普通方法測量時間差

所存在問題分析

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

對于小口徑、低流速的情況，順逆流的時差非常短，典型最大流量對應(yīng)的時差僅約20ns，精確測量難度很大，需要極高的時鐘頻率。如果測量方法粗放，這個極小的時間量很可能被淹沒在測量的誤差中。因此，如何才能測量到這個時間量，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(shè)計確定

環(huán)鳴法的產(chǎn)生

為了解決時間差值太小的的問題，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。