基于数字仪器的超声波流量计研究平台设计及实现

　　1引言

　　超声波流量计是目前非接触式流量测量仪表发展的主要方向之一，可用于测量导电和非导电流体的流量[1]超声波流量计从原理上分为时差法、多普勒效应法和相关法等多种类型，时差法超声波流量计是目前应用最广的一种，其原理是利用超声波信号在穿越流动介质时，顺流传播和逆流传播的速度不同，导致传播时间上的差异来测量流速[2]。

　　时差法超声波流量计的声道设计有V法、Z法、X法等多种形式。V法便于精确安装换能器，且在保证信号质量的同时可增大超声波行程，提高测量精度，为中小管径场合推荐方式;当管径较大时，声波行程也较大，所以多采用Z法以增强信号强度和测量稳定性，但换能器对准较难;X法多用于流场分布严重不稳定的情况下，以发挥双声道平均测量的优势[2]。另外还有螺旋声道以及多声道设计[3-4]。本文以V法液体超声波流量计为研究对象。

　　2超声波流量计原理

　　如图t所示，管壁外A,B处安装一对超声波换能器，交替地发射和接收超声波脉冲信号，超声波发射点和反射点之间的距离为G，超声波传播路径与管道横截面的夹角为 θ，管径为D.

　　根据速度分解关系，可导出超声波信号顺流传播和逆流传播的时间差Δt为:

　　即得到流速与传播时间差近似为线性关系，只要测得时差△t便可求出流速，并进一步求出流量Q。

　　一般流体在管道中流动时受到摩擦、豁度等阻力因素的影响，会出现层流和湍流等非均匀的流速分布形式，为了获得较高的测量精度，需要通过数值计算和实验等手段，把超声波流量计测得的路径平均流速转换为管道截面上的平均流速[5-6]。另外采用多声道设计可以有效提高测量精度。

　　对于超声波流量计的研究主要集中在数据采集、信号处理和误差修正等方面，为此需要建立一个灵活通用的研究平台。利用大部分实验室常备的数字仪器资源并结合虚拟仪器技术，设计功能灵活、界面友好的自动测试及研究平台，是进行新型超声波流量计研究及开发的有效途径。

　　3超声波流量计研究平台

　　超声波流量计测试系统的关键是要获得顺流传播和逆流传播的超声波信号，求出它们之间的时差，整个系统包括采集信号的硬件部分和处理数据的软件部分。

　　超声波流量计研究平台的系统流程如图2所示。两个超声波换能器交替地用作发射和接收，其激励脉冲利用Agilent 33220A信号源产生。33220A可发生频率上限至20 MHz的正弦波和方波信号，并提供脉冲、扫描等多种模式，因此可以完成不同频率超声波换能器的多种形式激励。换能器接收到的超声波信号经过带通滤波、放大环节后即送人数据采集和处理部分，系统利用数字示波器Agilent DS06012A进行超声波信号采集和观测，采集到的波形数据送人上位机处理。DS06012A为双通道数字示波器，带宽100 MHz，具有1 Mpts标准存储深度，最高采样率可达2 GSa/s，因此可高分辨率地探测和采集超声波信号，其采样时间、采样频率、触发模式等设置参数可以通过软件控制。系统测量中需要通过切换模拟开关来控制超声波信号顺流或逆流传播，上位机通过并口与测量电路连接，提供开关控制信号，同时读写电路中的数字电位器，实现超声波信号的变增益控制，还可以通过并口读人压力、温度等信息供误差修正计算使用。