0 引言

    工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗都離不開對工質(zhì)數(shù)量的了解或?qū)Ω鞣N物質(zhì)（原料）配比的控制。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和進行經(jīng)濟核算，需對單位時間內(nèi)物料的輸送量（流量）或某段時間內(nèi)物料的總輸送量進行精確計量和控制，并要求能及時地發(fā)出反映流量大小的信號。流量測量，不管是以計量為目的，還是用于過程控制，幾乎涉及所有的領(lǐng)域。非接觸式流量計只需將超聲波換能器夾裝在被測管道的外側(cè)就可測量管道內(nèi)的液體流量，由于其測量時不擾動管道內(nèi)流動的流體和無介質(zhì)泄漏而得到了廣泛的應(yīng)用，但時差法等超聲波流量計測量精度低是一個亟待解決的問題。本設(shè)計方案采用了相位差法來測量流量，同時把聲速對流速的影響也考慮在內(nèi)，從而提高了測量的精度。

    1 相位差法流量測量原理

    超聲波技術(shù)應(yīng)用于流量測量主要是依據(jù)超聲波入射到流體后，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號就可以測量流體的流速和流量。

    在該超聲波流量計的設(shè)計中，流量的獲取主要來源于測定固定直徑管道的中心流速（軸向），雖然測量管道內(nèi)的流場分布模型難以精確建立，但其中心流速和總的流量之間有一固定的函數(shù)關(guān)系（對于同一種流體而言），那么測得該流速，并通過適當?shù)那€擬合方法即可尋求到一條聯(lián)系流量與流速之間關(guān)系的較精確的曲線，其主要物理模型如圖1所示。

圖1 超聲波流量測量物理模型

    圖中A、B是兩性能相同的超聲波傳感器，V是流體流速，方向固定為A到B，V0為流體中的聲速，L為A、B兩傳感器的端面距離。由于流速V的存在，超聲波從A傳到B及其相反過程中，在傳播時間上將有一個差值α，通過對α的精確測量，即可求出中心流速，并進一步求得流體流量。 

    在靜止的液體中，連續(xù)的超聲波在距離為L的A點和B點將有著固定的相位差β，當流體沿著某一方向（假設(shè)從A到B方向）流動時，固定頻率的超聲波在順流和逆流發(fā)射的傳播時間內(nèi)的變化在空間上表現(xiàn)為流體中波形的拉伸（順流）和壓縮（逆流），從而導(dǎo)致在定長L內(nèi)波形數(shù)的變化，但必須保證滿量程波形數(shù)變化不大于1；在接收端表現(xiàn)為發(fā)射波和接收波相位差的變化（相當于A、B點的相位差），由β±Δβ就直接導(dǎo)致本設(shè)計方案中采用相位差法求得流速和流量。

    由于固定頻率為f的聲波的聲速為V0=f*λ，其中λ是波長，于是流體中距離為L的空間上分布的波形N=L/λ將和聲波的傳播速度成反比。設(shè)靜止流體中L上的波數(shù)為非整數(shù)n，當流體以速度V由A到B流動時，順流聲速V0AB=V0+V，逆流聲速V0BA=V0-V，則順流時L上的波數(shù)為NAB=n*V0/（V0+V），逆流時NBA=n*V0/（V0-V）。于是逆、順流分別發(fā)射超聲波時，L空間上的波數(shù)差Δn=NBA-，其中n=L/λ0=Lf/λ0，所以，則相位差

   （1）

    由于聲速V0隨環(huán)境變化，其修正方法仍依賴于振蕩器，且（1）式中分母比分子高一階，可見晶振溫漂對測量效果的影響。由于V0>>V，則（1）式可以忽略分母的影響，相位差與流速成一次線性關(guān)系。由于最終將采用標定擬合的方法求出流量與相位差的關(guān)系式，因此超聲波的頻率不必嚴格于1MHz，但必須保證其穩(wěn)定性。為保證儀器適用于不同壓力及環(huán)境溫度，甚至適用于不同性質(zhì)的介質(zhì)，必須對聲速進行實時修正。由（1）式可知，聲速對測量結(jié)果有很大的影響，現(xiàn)采用聲波的傳播時間法來測得聲速。

    假設(shè)集流管內(nèi)流場均勻分布，超聲波頻率為1MHz，聲速為1500m/s，集流管內(nèi)徑為31mm（實際內(nèi)徑25mm，但因有效距離及入水口等因素，折算為31mm），設(shè)計流量計的量程為700m3/d。為避免多置型，在單邊180°鑒相的前提下，順逆流相位差Δβ不應(yīng)大于360°，也就是a≤1μs，即2LV/（V02-V2）≤1μs，由量程700m3/d求出V后就可確定L。令S為集流管有效截面積，則VS=V*3.14*（10-3*33/2）2=700/24/3600，得到V=10.73m/s，于是由2LV/（V02-V2）≤1μs，推出L≤10.48cm。

圖2 流速鑒相電路框圖（單向）

    2 設(shè)計方案

    根據(jù)以上分析的測量原理，設(shè)計出如圖2和圖3所示的超聲流量計電路框圖。

圖3 聲速校正鑒相電路框圖（單向）

    本方案中傳感器材料選用聚砜，其聲學性能很好。驅(qū)動信號源是后續(xù)測量的基礎(chǔ)，所以只能采用幅值盡量高、波形近似正弦的驅(qū)動信號，以達到較大的發(fā)射功率，經(jīng)過聲波發(fā)射、接收換能器的雙重選頻、濾波作用，接收信號波形無畸變，最終選擇南京120pF壓電片串聯(lián)220μH電感產(chǎn)生諧振。

    超聲波發(fā)射接收通道控制開關(guān)組主要完成超聲波的發(fā)射以及接收電路在A、B兩個傳感器上的切換及聲速修正的低頻調(diào)制功能，控制邏輯由門電路及模擬開關(guān)共同產(chǎn)生。經(jīng)過多次實驗最終采用分立8路開關(guān)ADG419、ADG418，其原則是參與接收回路的模擬開關(guān)完全不接觸發(fā)射信號，其電路如圖4所示。

圖4 超聲波發(fā)射接收通道控制開關(guān)

    驅(qū)動信號經(jīng)4kHz調(diào)制后，接收信號是周期為4kHz的含1MHz載波的聲波列，其壓差信號經(jīng)放大至2~3V可使檢波二極管在很快的時間內(nèi)導(dǎo)通，減小聲速誤差。解調(diào)出的包絡(luò)信號送反向比較器整形后與原調(diào)制信號鑒相可得正比于傳播時間的相位差（數(shù)字脈沖占空比），其具體實現(xiàn)電路如圖5所示。

圖5 解調(diào)電路

    無論是流速相位差還是聲速修正相位差均由發(fā)射（或經(jīng)調(diào)制）信號與接收信號（或解調(diào)信號）鑒相產(chǎn)生，產(chǎn)生的鑒相脈沖經(jīng)低通網(wǎng)絡(luò)（帶寬3.7Hz）濾波后得到正比于相位差的直流電平送A/D轉(zhuǎn)換。本方案采用沿鑒相，即只與信號的上升沿有關(guān)，而與占空比無關(guān)，使用鑒相器4046取得了很好的線性和測量精度。

    A/D轉(zhuǎn)換器一般主要考慮的因素就是字長和速度。一般來講SNR與字長有以下規(guī)律SNR（dB）=6.02n+1.76，n為字長。實際超聲系統(tǒng)中一般SNR的范圍在47~70dB之間。如果SNR=70dB，則字長不小于12。本設(shè)計選用BB公司的ADS803芯片，DSP芯片選用TI公司16位的TMS320VC5402，可以保證測量的精度。

    在實測時通過順、逆流發(fā)射經(jīng)低頻4kHz調(diào)制的1MHz超聲波來實現(xiàn)。在接收端將解調(diào)出的4kHZ與原始調(diào)制信號比較鑒相即可求出聲波的傳播時間，并將正反向的時差相加以扣除流速的影響.本流量計的量程設(shè)定為700m3/d，實際量程為690m3/d，理論分辨率為0.15m3/d，實測值為0.2m3/d。

    現(xiàn)傳感器安裝距離L=10cm，聲速為1500m/s，理論上雙向相位差之和為192°，實測相位差約195°，誤差僅為1%.按照上述方法連續(xù)測量100次，誤差基本上都在1%左右，真正保證了流量測量的高精確性。

    3 結(jié)束語

    超聲波流量計具有測量精度高、重復(fù)性好、量程比較寬、抗干擾能力強、維修量小和可測雙向流等優(yōu)點，可以廣泛應(yīng)用于天然氣工業(yè)的貿(mào)易輸送計量、氣體分配、調(diào)合、控制和檢漏等場合，還可用于工廠排放液、液化天然氣流量測量等，也可作為常規(guī)貿(mào)易計量儀表的標準表。總而言之，可廣泛應(yīng)用到各種精度要求高的流量測量中。

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