时差法超声波流量计误差分析与研究

　　引言

　　液压系统具有结构轻小、传动比大、运行平稳等优点,已经广泛应用于各个工程领域。液压系统在坦克装甲车辆也得到了广泛的应用,如坦克助力系统、坦克抢救车等。但是液压系统一直存在故障率高、故障检测定位困难的问题。常用的液压系统振动信号诊断技术、油液分析诊断技术已无法准确获得反映液压系统运行状态的流量、压力等关键参数及其变化;传统的液压介入式测量方法,检测接口有限,拆装困难,而且影响系统的动态特性。然而液压系统的流量、压力参数及其变化,是液压系统故障诊断的基础。超声波流量计的出现为维修保障人员解决了这一实际问题。本文就影响液压系统超声波流量测量结果的误差进行定性分析,提高测量结果的准确性。

　　1　组成及工作原理

　　时差法超声波流量计由超声波换能器、电子转换线路、流量显示累积系统3部分组成。它利用超声波在横向穿过流动的液体时,在其顺流和逆流介质中,其超声波的速度有差异而形成速度差(时间差)。时差法超声波流量计就是利用该原理对流体的流速和流量进行测量的,其测量原理如图1所示。

　　设超声波信号在被测静止流体中的速度为,在管壁中的速度为,流体的流速为u,则对于顺流和逆流有:L2

　　其中电路延时。假设超声波换能器TransducerA、B的控制电路延时具有较好的一致性,即时,有:

　　式(6)是在理想情况下得到的流速计算公式,流速大小仅与被测管道内径大小、超声波在被测流体中的声速、从管壁到被测流体间超声波信号的折射角大小有关。

　　2　误差分析

　　2. 1　换能器安装位置引起的误差

　　时差法超声波流量测量的测量精度与超声波换能器的安装尺寸有十分紧密的关系。流速计算式(6)是在换能器完全按理论位置L安装下得出的,实际上换能器的安装不可能绝对的准确,这样就会带入测量误差。下面分析产生误差的原因。图2为超声波波束指向性示意图。从图中可以看出超声波的能量主要集中在角度为2θ的锥形区内,称为主波束。主波束旁侧的称为副波束,由于副波束能量小,传播距离短,总是出现在波源附近。

　　由此可见,换能器晶片在受激发射超声波脉冲后,首先是扩散开的纵波主波束穿过换能器斜楔打在被测管路的外管壁上,此时纵波会发生波形转换,即折射进入管壁中的既有纵波也有横波。穿过管壁的折射横波在管壁与被测流体的界面上再次发生波形转换,以纵波的形式穿过流体并最终进入另一个换能器。整个过程如图3所示。