超声波测流技术和超声波流量计的应用

　　1 概述

　　近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快，基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计得到了广泛应用，但在有些条件下超声波流量计的使用效果却不太理想。本文阐述了利用超声波测量流量的技术关键，并指出超声波流量计在使用中应注意的一些问题。

　　2 超声波测流技术的关键

　　利用超声波测量流量早在八十年代初就已经开始进入工业现场，但直到九十年代中期，随着新技术新器件的出现，解决了几个关键的技术瓶颈问题以后，才使得超声波流量计得以迅速推广和应用。

　　2.1 超声波传播时间的检测技术

　　由于超声波的速度很快(在液体中为 1500m/s左右)，在管道内传播的时间很短，顺、逆流传播时间差Δt 就更小。例如：管径 D=300mm, 流体流速ν=1.33m/s, 超声波声速 c=1500m/s, 那么Δ t 为，要保证测量达到1%的精度，要求测量的时间差就要达到，在测量低流速时要求则更高。所以，提高时间分辨率至关重要，目前的超声波流量计采用高速集成电路和新的数学模式，把时间差的分辨率提高到使得测量的准确性和稳定性大大提高。

　　如图1，电路通过锁相环的方式，产生跟超声脉冲传输时间T的倒数成正比的频率。这就是说，同方向可变电压振荡器 VCO(1)的发射频率可分为 1/N，其周期与超声在液体中传输的时间大体相同，其振荡频率为水中传输时间倒数的 N倍，VCO(2)除了超声波传输方向相反外，以完全相同的作用产生振荡频率，若取两者的振荡频率之差，则可得到跟流速成正比的值。

　　2.2 声波的分辨与检测技术

　　超声波在液体中传播，受管道材质、衫里及流体的影响，当从管道一侧传播到另一侧时，信号不可避免地衰减，发生形变。同时工业现场的管道噪声和变频设备的电噪声等干扰信号与超声波信号一起被超声流量计的换能器所接收，这样，准确地分辨和检测超声波信号便成为超声波流量计的一大关键技术。早期的超声波流量计采用跟踪声波最大峰值来检测声波信号并进行流量测量，这样，当声波通过管壁和流体发生形变，或干扰信号较强时，容易发生声波检测错误进而造成流量测量错误。新的超声波流量计采用了信号自动跟踪技术，如图2所示:

　　超声波流量计首先把检测到的一列超声波信号中第一个峰值符合一定值的波作为首波，峰值为A+α，然后检测它的前一个波，峰值为A-α，把两个波的波峰平均值A对应的时间Tm作为接收信号的计时时刻，而这一列波的最大波峰值通过自动平衡电路，把它稳定在1.5V左右，通过自动跟踪A值，便可准确地辨别和跟踪整个超声波信号。