高精度的超声波在线流量测量

　　1　引言

　　流量的精确计量是现代工业生产和自动控制中常遇到的问题。在生产中常使用的流量计如电磁流量计、文氏流量计[1]等均会不同程度地产生压力损失,测量时换能器会受到磨损、腐蚀和污染,流量计安装、维修需要停产。由于超声波流量计采用非接触式测量,安装和维修不影响被测流体的流场分布,可用于测量多种流体的流量,特别是测量具有腐蚀性、高粘度流体的流量,尤其适用于大口径管道的精确测量。

　　2　测量模型的建立

　　如图1所示,用t+、t-分别表超声波束在流体中的顺、逆流传播时间,由下列公式确定:

　　其中:L为超声波在流体中的行程;c为在流体静止时超声波在该流体中的传播速度;τ0为超声波在非流体中的传播时间与电路延迟时间的总和;Ul为流体沿超声波传播路径的线平均流速;θ为超声波的顺流传播方向与流体流动方向间的夹角。

　　线平均流速Ul的方向与流体流动方向一致,Ul与超声波在流体中传播的时间t+、t-以及传播时间的差值Δt之间满足:

　　质量流量为:Q=SUsρ。其中,Us为某时刻流经垂直于管道轴向截面流体的平均流速,S为截面面积。

　　根据混合长度理论[2],对于光滑圆管内壁面附近的完全发展的紊流,其管内同一横截面上距离管轴线为r处的流速Ur,与管路中心最大流速Umax间具有确定的函数关系:

　　超声波在流动的流体中以波的形式传播,不破坏流体的流场分布,流体的流量与管道的横截面积S、流体的密度ρ和雷诺数Re以及流体沿超声波传播方向的线平均流速Ul有关。

　　3　硬件组成

　　系统硬件结构如图2所示,由模拟电路和数字电路2部分组成。模拟电路部分包括超声波发射电路、超声波接收电路、超声波接收/发射转换电路、信号整形电路以及温度测量补偿电路等;数字电路部分包括系统控制电路、高频振荡电路、计数电路、接口电路和微机控制电路等。为提高超声波的发射功率,系统采用两级功率推动的谐振式发射电路,外加高电压触发。当谐振回路的振荡频率与换能器内部压电晶片的自然频率匹配时,发射效率最高。实验证明,触发信号的电流变化率和触发脉冲信号的前沿陡度影响发射超声波的效率。发射电路中的阻抗匹配和隔离电路是提高电流变化率和改善触发脉冲前沿的关键。实验还证明,发射效率还决定于触发发射超声波的信号的重复频率,某些情况下,触发发射信号的重复频率增加,发射超声波的效率降低。

　　超声波信号的接收电路采用电感耦合和集成电路放大相结合。电感耦合、电容滤波以滤除噪声信号。集成电路采用转换速率高、频带宽、具有频率补偿等特点的电路芯片。再用削波电路去除接收信号中的杂散波信号和噪声信号,削波电压为0·866 V。由于温度对声速、管壁材料的性质、换能器性能以及流体的特性等都有影响,系统设有温度补偿电路对温度进行测量和补偿。