改进超声波流量计的测量方法

　　1　　测量原理的改进

　　1.1　误差产生原因

　　超声波流量计的时差法测量原理如图1所示。设超声波在静止流体中的传播速度为c、流体的流速为v,传播距离为L,流体流动方向与超声波传播方向的夹角为α。则超声波在流体顺流时的传播时间为t1,在逆流时的传播时间为t2,可以写为

　　虽然在算式中存在Δt与v之间的正比关系,但同时又包含了产生测量误差声速c的内容。

　　1.2　消除方法

　　为了消除声速c引起的误差,可以采用参量代换补偿法。参量代换补偿法的要点是        

　　由于是一个常数,而式中已不再存在声速c的内容,于是保证了B与v之间的线性关系,消除了声速的影响。只要测量t1和t2,通过计算得到B也就得到了流速的v值,因而提高了测量精度。

　　2　脉冲计数测时方法的改进

　　2·1　误差产生原因

　　超声波在流体中的传播时间t,一般采用脉冲计数方法进行测量。如果采用周期为的脉冲进行计数,而得到的计数值为nm,因此t可以写成:

　　用全微分的方法求得时间t的测量误差式:            

　　算式表明误差分成两个部份,n _m dT _m是频率不稳定引起的误差。而T _mdn _m则是由计数误差所引起的。由于dn _m=±1,称为±1计数误差,该误差是一般测时方法的主要误差。

　　因此它不适宜用于测量精度要求高的场合。

　　2.2　消除方法

　　为了消除±1计数误差,可以采用游标式测时方法。游标式测时方法,工作原理如图2所示。设超声波探头(1)发射超声波的时刻为tm时刻,而对方超声波探头(2)接受到超声波的时刻为t _n。游标式测时方法的工作过程为:在t _m时刻,由振荡器(1)产生频率为f _m的脉冲序列,除送至计数器C _m进行计数,并送至相位检测电路。在t _n时刻,由振荡器(2)产生频率为f _n的脉冲序列,送至计数器C _n进行计数,也送至相位检测电路。当相位检测电路发现两个脉冲序列的相位重合式变相时,立即记录两个计数器的计数值n _m和n _n,显然超声波的传播时间t可以写为:

　　式中,说明ΔT由两个频率的周期决定(T _m>T _n)。由于ΔT是n _n计数的最小单位,因此它是游标式测时方法的分辨率,并可定义为R。显然这里的R值与一般测时方法的±1计数误差相比,是显著的减小了。例如:当频率f _n=10KHz的脉冲序列,用于一般测时方法,对应的±1计数误差为10 ^{- 4} S,而增加一组频率为f _n=10.1KHz的脉冲序列,用于游标式测时方法,所得到的分辨率R值为10^-6 S。两者相比缩小了100倍。