基于“环鸣法”的改进时差法流量计优化研究

1 研究背景及意义

随着工业技术的发展，流量逐渐成为流程工业测量三大主题内容之一，它给人们的日常生活和工作带来无限的便利，提高生活质量的同时也提高了经济效益。现如今无论是气体还是液体的测量问题都与工业生产息息相关，流量计量也成为生活和生产中重要的部分。

1955年，美国科学工作者制造出一款超声波流量计，该流量计采用“环鸣法”流量测量技术，并成功用在航空燃料油的流量测量上，这款流量计是世界上的第一台流量计。经过几十年的发展，流量计随着电子技术的发展和智能型控制器的发展不断飞速前进。到21世纪，数字信号处理技术发展迅猛，流体力学和新型材料的研究也日趋完善，超声波流量测量技术在此基础上取得了突破性进展，表现出强劲的发展势头和无限的市场发展空间。

2 超声波流量计的原理

2.1 流量测量的基本概念

流量是一个物理量，表征了在单位时间内通过管道横截面积的流体量，通常流量用体积流量或质量流量表示。qv和qm分别表示为：

    （1）

    （2）

    （3）

式中，V表示流体体积，m表示流体质量，t表示时间，ρ表示流体密度，v表示管内平均流速，D表示管道直径，A表示管道横截面积。

2.2 时差法

时差法是根据超声波信号在流体中顺、逆流传播的时间差来测量流量的一种方法。如图1所示，超声波在流体保持静止状态时的传播速度为c，流体的流动速度为v，流体管道内径为D，超声波发射角为θ，换能器（以下都称作探头）P1和P2夹装在管道的两侧。

图1 时差法超声波流量测量原理图

探头发射超声波发射脉冲信号，在顺流传播情况下的传播时间为：

    （4）

在逆流传播情况下的传播时间为：

    （5）

顺、逆流传播时间差为：

    （6）

由于超声波在流体保持静止状态时的传播速度c远大于流体流动速度v，所以可认为得到：

    （7）

由此可得时间差与流体速度v的关系式：

    （8）

公式（8）中含有声速c，考虑到超声波在流体中的传播速度受流体温度变化的影响，会对测量结果的准确度产生影响，所以有必要对流体温度进行补偿，也就是对基于时差法流量测量方法进行改进，原理如下：

顺流方向超声波脉冲在流体中的传播速度为：

    （9）

逆流方向超声波脉冲在流体中的传播速度为：

    （10）

两式相减：

    （11）

由式（11）与式（8）相比，改进时差法公式（11）中无声速c，只需测出超声波脉冲顺流和逆流传播时间t_s和t_n，就能求出流速v，避开了流体温度的影响因素，在一定程度上改善了系统的测量精度，但这种测量方法要求系统具有较强大的数据处理能力。

根据式（11）和（1），可得到流体的体积流量：

     （12）

3 “环鸣法”流量计的研究

从改进的时差法的公式（12）中可知要得到流体的流量，关键是得到参数t_s、t_n以及时间差Δt，时间测量结果越精确，测出的流体流量越接近真实值。

对于被测流体管道内径较小、流速较低的流量测量系统，超声波在流体中传播的顺、逆流的时间差极其短暂，想要准确捕捉这一时间差难度很大。以以下系统为例，简要证明内径小、流速低的测量系统中超声波信号顺、逆流传播一次的时间差数量级问题。

如图1中，假设D=6mm，d=2mm，声速c=3000m/s，V=0.01m/s（假设这个值是本设计中的超声波流量计能测出的最小流速），θ₁=θ₂=45°，可得到：

（1）超声波信号从探头P1到探头P2的顺流传播时间：t_s=14.28us

（2）超声波信号从P2到P1的逆流传播时间：；

（3）t_s和t_n的时间差：Δt=0.44us

从系统数据以及测量到的时间数据可知，声波从发射端传播到接收端一次所需的时间大约是14us，且顺、逆流传播时间十分接近，所以顺、逆流传播时间差也非常小，大概只有0.44us。这极小的时间差，就算系统的定时周期再小也几乎不能捕捉到这个数据，且假如时间测量电路的设计较为粗略，这个极小的时间差数据极有可能会被测量误差湮没。

环鸣法超声流量计是一个非介入式液体流量测量仪器。仪器不必触及到流体，只要把换能器夹装在输液管道上，超声波透过管壁进行发射和接收，就可测出流体在管中的流速和流量。此方案主要是针对细小管道提出的，“环鸣法”是它的特色，故称它为“环鸣法”超声流量计。流程结构如图2所示，具体实现方法如下：顺流情况下，当发射换能器P1发射超声波，经流体传播后到达换能器接收端P2，P2接收到超声波后立即触发P1再次发射超声波信号，按此传播方式顺流传播10000次后定时器定时结束并记录下超声波顺流传播10000次的总时间Σt_s，然后控制通道选择电路，进行探头切换；再令P2发射，P1接收，当P1接收信号时，马上让P2再次发射，再经过10000次如此循环就可得到逆向发射总时间Σt_n。Σt_s、Σt_n两个总时间作差，可得到总时间差 ΣΔt。最后对ΣΔt取平均值，即可作为超声波单次顺、逆流的传播时间，然后按公式（12）计算可得到流体流量。

图2 流量测量流程结构图

由测量带来的误差经过10000次累加后，其均值向零逼近，测量的偏差只出现在接收换能器的最后一次接收停止计时上，这样给10000次测量带来的误差远比给单次测量带来的误差小的多，通过测量得到小管径管道流体的传播时间差就成为了可能。这就解决了小管径测量的时间难捕捉的问题，也就是环鸣法流量计的优势所在。

4 结论

（1）在传统的时差法测流体流速的基础上提出一种改进的时差算式，这种改进的方法可有效消除流体温度的变化对超声波传播速度的影响；

（2）通过数据模型举例说明的方法指出环鸣法较一般测量方法的优越之处；

（3）改进后的超声波流量计具有非浸润式的特点，采用环鸣法得到顺、逆流传播时间，可精确测出待测流体的流量，而高精度的时间差数据则反映出系统具有较高的测量准确度。