宽波束超声波流量计的研究

    在工业生产过程中，经常需要精确地计量和控制流体的流速和流量，传统的接触式流量计，如电磁流量计、涡轮流量计、孔板、差压流量计等，均不同程度的受到力、磨损、腐蚀的影响，同时安装时还要破坏管道。超声波流量计由于精度较高，可以方便的安装在管道外壁进行非接触测量，对被测流体无任何扰动，可双向测量，特别适用于大口径管道腐蚀性、放射性和高压流量的测量。超声波流量计虽已广泛应用，但也存在着一些不足。本文讨论的宽波束流量计在一定程度E对传统的窄波束超声波流量计存在的一些不足进行改进。

    1 传统窄波束超声波流量计存在的问题

    传统超声波流量计虽然有很多优点，但是它本身也存在着一些不足：

    （1）超声换能器安装时，须正确计算接收换能器的安装位置，并进行反复对准=安装位置的偏差会严重影响流量计的测量性能。
    （2）超声波脉冲信号在流体中的传播速度是声速和流速的矢量合成，合成后的速度与管道轴向的夹角会随着流速或物性的变化而变化，会产生波束偏移，造成安装于固定位置的接收换能器接收的信号明显减弱甚至丢失，影响测量性能。
    （3）如果被测流体里含有悬浮颗粒和小气泡，可能会反射中途传播的超声波，给测量带来很大的误差。
    （4）电子元件经过长时间工作，或受环境的影响，会引起电子元器件工作点发生变化，产生零点漂移，这势必会引起测量数值的不准确。

    2 宽波束的应用

    宽波束Lamb波在超声波流量计中的应用则很好的对以上不足进行了改进。

    宽波束Lamb波是板波的一种，利用其质点振动特性，这种波形可应用于超声流量测量中。Lamb波是纵波和横波的合成形式，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，向对而管壁传播。经反射后到达同侧管壁，接收换能器接收信号，如图1所示。

    Lamb波测量流体流量，本质上仍然是采用时差法，但是由图1可以看出，由于波束是沿着管壁传播的，向管道对面辐射的声能范围相对较宽，能够完全覆盖接收换能器甚至其左右相当一段距离，接收范围很大，从而降低了现场对换能器的安装要求。它不像传统方法那样对波束进行反复对准，并且不会因被测液体的速度或物性变化造成的波束偏移使接收信号明显衰减或丢失。由于传播的是一组波，流体中有悬浮颗粒或小液滴不可能把整组波束都反射掉，从而保证了能可靠地接收信号?这使超声波流量计适用于更宽的流速范围和流体条件。

    另外，从图1中可以看出，超声波能通过两条不同的通道从换能器A传送到换能器B。第一条通道与传统超声波流量计一样，经过管壁-流体-管壁。第二条通道仅需通过管壁在换能器之间传播声波。由于液体流动不会影响管壁里的声波，所以在这个通道里往返传播时问应该是相同的。当零点产生漂移时，在第二条通道内就会产生相应的时问差Δt。利用这个Δt对第一通道中测得的顺逆流时问进行修正，从而不需要停止流量就能消除零点漂移，克服了传统超声波流量计中的零点漂移造成的不准确测量。

    3 宽波束Lamb波的激发

    宽波束超声波流量计的最大特点是宽波束Lamb波在流量计中的应用。Lamb波的产生需要满足以下关系式：

    式中：

    p、q为常数；
    θ为纵波入射角；
    C_n为发射探头声楔中的纵波速度；
    ；
    f为发射频率；
    b为管壁的厚度；
    C_l为管壁中的纵波声速；
    C_t为管壁中的横波速度；
    C_p为管壁中的兰姆波相速度。

    当超声探头和管壁厚度材质确定后，可以根据式（1）~式（3）计算出多个满足公式的Lamb波型，分别为对称型S₀、S₁、S₂…，非对称型A₀、A₁、A₂…，每个波型都对应着一个不同的激发频率。以不锈钢管道为例，管材中的纵波声速c_l=5790m/s，横波声速C_t=3200m/s，管壁b=4.12mm；超声探头θ₁=40°，声楔纵波速度C_l1＝2290m/s。则根据式（1）~式（3）计算，结果如表1所示。

表1

    然后根据所用超声探头谐振频率选择合适的波型，其对应频率作为超声探头激发Lamb的发射频率。另外，在Lamb波激发时，要使整个管壁都产生振动，这就需要脉冲的持续时间足够长（一般10~100个持续脉冲即可达到要求）。

    4 宽波束超声波流量计的结构设计

    宽波束超声波流量计的系统结构如图2所示。上电后，单片机根据键盘输入的管道壁厚、流体介质等测量条件，根据式（1）~式（3）对激发Lamb波所需的发射频率进行计算，并把结果送复杂可编程逻辑器件CPLD，CPLD产生相应的激发脉冲，经发射驱动电路后激发探头向管道发出超声波。一定时问后另一探头接收到信号，由CPLD利用其高频特性实现两个通道内声波传播时间的精确计量。计量结果送单片机处理，并通过切换电路完成顺逆流方向收发电路的切换工作，进行下一次的反向测量。最后单片机根据顺逆流的时间得出流体的体积流量和质量流量，并送LCD显示和打印。

    这里主要介绍锁相滤波电路。因为宽波束超声波流量计与普通超声波流量计不同的是其发射频率随着管壁情况的变化而变化，所以接收信号如果采用固定中心频率的带通滤波就不能满足需要了。本文采用锁相跟踪带通滤波器，其结构如图3所示。

    把激发探头的脉冲信号作为锁相环电路的输入，32倍频后输出作为32位开关电容带通滤波器的时钟。32位开关电容带通滤波器时钟频率与滤波器中心频率的比值f_clk/f₀=32，这就使得带通滤波器的中心频f₀始终跟踪激发频率也就是接收信号频率的变化。这样，不管接收信号的频率是多少，滤波器都能够有效地抑制或消除无用信号成分通过有用信号，获得良好的滤波效果。

    此外，由于超声波流量计测量管道直径和流体流速的范围均很大，接收信号的幅值有很大的不同。本文采用TL441集成对数放大器对接收信号进行缩放，使放大后信号的幅值保持在同一个数量级，保证信号的可靠接收。

    5 实验与结果

    本文进行了宽范围内信号接收的实验，以验证宽波束超声波流量计具有很宽的接收范嗣。

    实验装置：管道D=80mm；管壁厚度b=4.12mm；管材：不锈钢；管材中的纵波声速：c_l=5790m/s，横波声速：c_t=3200m/s；

    超声探头：声楔材料：聚砜；入射角：θ₁=40°；声楔纵波速度：c_l1=2290m/s；测量介质：水，流动。

    探头采取V型安装，为了清楚观察在不同距离时的信号强度，只采用两级运算放大。实验时在第1通道信号快要到达时再接通接收电路，避免第2通道对本实验的影响。根据式（1）~式（3）计算，选择激发频率为750kHz。实验结果如表2所示。

表2 信号幅值和换能器间距的对应关系

    由表2可以看出，宽波束超声波流量计在56~156mm范围均能接收到清晰信号。这证明了宽波束流量计的最大优点，即具有很宽的接收范围。

    6 结论

    实验证明，将Lamb波应用于超声波传感器，实现了测量声波成组发射传播，在很宽的范围内都能接收到有效信号。降低了超声波传感器的安装要求，在很大程度上消除波束偏移和流体中悬浮颗粒等反射信号对测量性能的影响。并能够实现不断流自动调零，保证了测量数据的准确性。所以，宽波束超声波流量计具有更优良的性能，适用于更宽的流速范围和流体条件。

    参考文献

    1 马文安，影响便携式超声波流量计测量精度的因素分析.太原科技.2002，1.