超声波气体流量计的研制

　　1　引言

　　应用超声波原理测量流量起始较早,由于检测无压损,精度高,传感器结构简单,并且不受流体物理化学性质的影响,近年来得到了广泛的应用。

　　本文所讨论的超声波流量计基于时差法[1~3]。如图1所示,在充满流体的管道壁有两个成一定夹角的超声波探头,设流体速度为V,管道直径为D,两探头中心线之间距离为L,探头与管道之间的夹角为θ,超声波在静止被测流体中的速度为C;则有:L=D/sinθ。

　　一束超声脉冲经流体传播,其计时声程即为L,在顺流和逆流方向有不同的时间,其公式为:

　　顺流时间:TAB=L/(C+Vcosθ),

　　逆流时间:TBA=L/(C-Vcosθ),

　　由上面3式推导计算出流体的速度V,流速方程为:

　　V=D/sin2θ(1/TAB-1/TBA)

　　获取流速后可以计算出一定时间内、一定直径管道内流过的流量。由上面推导可知:只要通过精确的计时系统对TAB、TBA进行采样,测量流体流速时并不需要获取超声波在流体中的传播速度。

　　超声波已经成功应用于液体流量的测量,但是由于技术上的难题,使得在气体流量测量上的应用进展不大。主要难题是:超声波换能器材质和气体介质特性阻抗相差很远,造成换能器接收和发射效率太低。

　　2　超声波气体流量计的设计

　　2·1　超声波换能器及波形分析

　　超声波换能器(探头)[1]由压电晶片、匹配层、密封层等组成,直探头可发射和接收纵波。如图2所示,压电晶体为圆板形,其两面敷有银层,作为导电的极板,根据压电晶体特性,晶体的等效电阻与厚度的平方成正比,通常晶体厚度在10毫米以下,激励电压在数百伏左右。

　　匹配层同时也可以起到保护膜的作用,避免晶片与工作环境直接接触而损坏晶片。匹配层的厚度为二分之一波长的整数倍,此时声波穿透率最大。晶片与匹配层粘合时,探头的谐振频　　率将降低。选择合适的匹配层非常重要,它和晶片一起决定探头的工作频率,通过大量的试验,我们采用生漆与膏灰调和硬化后制成匹配层,使探头工作频率在50KHz左右。

　　当同一换能器既用来发射声波又用来接收回波时,如果需要缩短盲区(即接收信号淹没在发射信号之内,以至于无法辨别的区域),可以在压电晶片的背后加上吸声块,使得向背后发射的能量都被吸声块所吸收。吸声块使用适当粒度的钨粉和环氧树脂等来调配成,具有一定声阻抗并有强烈散射衰减的。密封层是为了防止有强烈腐蚀性流体的侵蚀,可使用环氧树脂等来作为密封层。

　　对超声波换能器采得的信号进行分析是本仪表设计的基础。在压电效应的作用下,处于发射状态的探头将发出和激励电压频率一致的超声波束,处于接收状态的探头将输出一连串和固有频率一致的正弦波。因此,应该使激励电压频率、两个探头的固有频率尽可能的一致,这样才能使需要采样的信号波形　达到最强和不变形。