超聲流量計(jì)

超聲流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲束或超聲脈沖的作用來(lái)測(cè)量流量的儀表。作為一種非接觸式測(cè)量?jī)x表，它相對(duì)于傳統(tǒng)的流量計(jì)而言具有可進(jìn)行非接觸式測(cè)量、原理上不受管徑限制、其造價(jià)基本與管徑無(wú)關(guān)、可測(cè)量含有氣泡的液體等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)封閉管道用超聲流量計(jì)來(lái)說(shuō)，按其測(cè)量原理可分為傳播時(shí)間法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法等。

本文采用傳播時(shí)間法。超聲波在流體中傳播時(shí)，與聲波在靜止流體中傳播的速度相比，順流方向聲波傳播速度會(huì)增大，逆流方向則會(huì)減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間。利用傳播時(shí)間之差與被測(cè)流體流速之間的關(guān)系求得流速，稱為傳播時(shí)間差法。通過(guò)接收穿過(guò)流體的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)時(shí)差的表現(xiàn)形式不同，又可以分為時(shí)差法、相位差法和頻差法。時(shí)差式流量計(jì)工作模型如圖1所示。

圖1中，兩個(gè)換能器固定在輸液管道的同一側(cè)，聲波從換能器T1發(fā)出，經(jīng)過(guò)輸液管道另一側(cè)的內(nèi)壁，反射到接收換能器T2。兩個(gè)換能器也可以固定在輸液管道的上下兩側(cè)，聲波由換能器T1發(fā)出，直接傳播到換能器T2。發(fā)射和接收聲波的振子密封在換能器的腔體里，其輻射面與端面成一個(gè)角度θ1，腔體里用透聲材料填充。由于換能器中填充材料、管道材料、管道中流體材料的不同，它們的聲速也不同，因此聲波傳播到介面處會(huì)有折射。這里假設(shè)折射角為θ2、θ3。流量計(jì)在工作時(shí)，換能器T1、T2輪流做發(fā)射和接收。因?yàn)楣苤械囊后w是流動(dòng)的，聲波由T1傳到T2（正程）和由T2傳到T1（逆程）的傳播時(shí)間是不同的。正程、逆程兩個(gè)傳播時(shí)間的差反映出液體的流速、流量。

以換能器T1為例。聲波由A到B再傳到C，在這一段傳播過(guò)程中，因?yàn)闆](méi)有流體參與，傳播時(shí)間是固定不變的。在這里，把聲波在換能器填料、管壁中傳播時(shí)間記為t延。在尋找正程與逆程之間的時(shí)間差時(shí)，不必考慮t延，只考慮在液體中傳播的正程、逆程的傳播時(shí)間差就可以了。

這里，設(shè)D為輸液導(dǎo)管內(nèi)徑；d為壁厚；V流為液體流動(dòng)速度；V介為液體的聲速；θ3為折射角；t正為聲波由T1到T2的傳播時(shí)間；t逆為聲波由T2到T1的傳播時(shí)間。

用聲學(xué)模型可得如下公式：

由上述推導(dǎo)可以看出，只要得到t正和t逆，管道中的液體流速V就可以算出。時(shí)差法與頻差法和相位差法之間原理方程式的基本關(guān)系為：

式中：Δf為頻率差；Δφ為相位差；f正、f逆為超聲波在流體中順流和逆流的傳播頻率；f為超聲波的頻率。

從中可以看出，相位差法本質(zhì)上和時(shí)差法是相同的，而頻率與時(shí)間又互為倒數(shù)關(guān)系，三種方法沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。

普通方法測(cè)量時(shí)間差

所存在問(wèn)題分析

從上述公式的推導(dǎo)中可以看出，要運(yùn)用傳播時(shí)間測(cè)流量時(shí)，最關(guān)鍵的測(cè)量量就是順逆流傳播時(shí)間差，只有精確得到這個(gè)時(shí)間差，流量才能由其導(dǎo)出。

對(duì)于小口徑、低流速的情況，順逆流的時(shí)差非常短，典型最大流量對(duì)應(yīng)的時(shí)差僅約20ns，精確測(cè)量難度很大，需要極高的時(shí)鐘頻率。如果測(cè)量方法粗放，這個(gè)極小的時(shí)間量很可能被淹沒(méi)在測(cè)量的誤差中。因此，如何才能測(cè)量到這個(gè)時(shí)間量，并使其盡可能精確，就是本文要研究的環(huán)鳴法的關(guān)鍵所在。

環(huán)鳴法的設(shè)計(jì)確定

環(huán)鳴法的產(chǎn)生

為了解決時(shí)間差值太小的的問(wèn)題，環(huán)鳴法利用了讓小的量不斷積累，使總體值增大，得到總量后再做平均的思想。環(huán)鳴法總方框圖如圖2所示。

該方法中，當(dāng)換能器T1發(fā)射聲信號(hào)，在換能器T2收到信號(hào)的時(shí)刻，令T1再次發(fā)射聲信號(hào)，而T2再次接收，這樣如此循環(huán)發(fā)射、接收N次。通過(guò)測(cè)量記錄下N次測(cè)量的總時(shí)間∑t正。然后，再令T2發(fā)射，T1接收，經(jīng)過(guò)N次如此循環(huán)就可得到逆向發(fā)射總時(shí)間∑t逆。這時(shí)讓順逆流兩個(gè)總的時(shí)間作差，可以得到總時(shí)間差∑Δt?！痞這個(gè)量比起單次測(cè)量時(shí)，它已經(jīng)擴(kuò)大了2N倍。由測(cè)量帶來(lái)的誤差經(jīng)過(guò)了N次累加后，其均值則向零靠近，使得測(cè)量精度提高了倍。此時(shí)這個(gè)值就較容易測(cè)量，從而得到想要的流量數(shù)據(jù)。

環(huán)鳴法要解決的幾個(gè)重要問(wèn)題

精確捕捉計(jì)時(shí)點(diǎn)

新測(cè)量方法用具有半個(gè)周期的正弦脈沖去激勵(lì)換能器。由于換能器是一個(gè)窄帶系統(tǒng)，在電脈沖的激勵(lì)下，發(fā)射和接收的聲信號(hào)都是較短的、有正弦填充的、具有鐘形包絡(luò)的脈沖信號(hào)，如圖3所示。本文選用沖擊信號(hào)作發(fā)射源，信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，因此比較適合細(xì)管徑的輸液管道測(cè)量。

正弦函數(shù)在過(guò)零點(diǎn)處斜率最大。如果把回波的某個(gè)正弦周期的過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)出來(lái)，回波時(shí)間的測(cè)量精度將極大提高。從總方框圖可知，過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)電路是由過(guò)零比較器、電平比較器、單穩(wěn)2電路和與門電路等組成。其波形和信號(hào)之間的邏輯關(guān)系在圖3中可以清楚地看到。

從圖3可以看出，得到這個(gè)計(jì)時(shí)點(diǎn)立刻觸發(fā)單穩(wěn)1電路以獲得發(fā)射同步信號(hào)。

信號(hào)門

接收信號(hào)中并不是只有從T1到T2在液體中傳播的聲信號(hào)，還有T1到T2沿管壁傳播的聲信號(hào)。在獲得精確計(jì)時(shí)點(diǎn)時(shí)，較高的信號(hào)過(guò)電平比較器后送出的第一個(gè)脈沖對(duì)測(cè)量是不必要的。因此，在做數(shù)字信號(hào)處理的時(shí)候，只能把電平比較器送出的第一個(gè)脈沖放行，其他信號(hào)將被信號(hào)門過(guò)濾掉。不同管徑的輸液管道，聲信號(hào)的傳播時(shí)間是不同的。因此，信號(hào)門的位置也不同。本設(shè)計(jì)中采用了信號(hào)門計(jì)數(shù)器，用數(shù)據(jù)裝訂的辦法改變信號(hào)門的位置。從總框圖中可以看到，信號(hào)門電路是由可預(yù)置的同步計(jì)數(shù)器、RS觸發(fā)器等電路組成。由發(fā)射同步信號(hào)觸發(fā)RS觸發(fā)器置 0，封鎖其后的脈沖，然后由計(jì)數(shù)器的進(jìn)位脈沖在信號(hào)到來(lái)之前將RS觸發(fā)器置1，開(kāi)門等待接收信號(hào)，如圖4所示。

計(jì)時(shí)電路

計(jì)時(shí)電路是由時(shí)間計(jì)數(shù)器、計(jì)次計(jì)數(shù)器、RS觸發(fā)器和與門等電路組成。發(fā)射同步信號(hào)是計(jì)時(shí)、計(jì)次的核心。如圖5所示，第一個(gè)發(fā)射同步信號(hào)是由計(jì)算機(jī)通過(guò)“計(jì) 4”發(fā)出的，經(jīng)過(guò)或門觸發(fā)器單穩(wěn)1得到的發(fā)射同步信號(hào)觸發(fā)器RS觸發(fā)器，使其變?yōu)?狀態(tài)，打開(kāi)與門，使時(shí)鐘通過(guò)，時(shí)間計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)開(kāi)始。以后的發(fā)射都是由接收機(jī)收到的信號(hào)觸發(fā)，這時(shí)流量計(jì)進(jìn)入“環(huán)鳴”狀態(tài)。每發(fā)射一次，計(jì)數(shù)器的數(shù)值都要加1。當(dāng)計(jì)數(shù)值達(dá)到N+1時(shí)（實(shí)際上只有N次測(cè)量），計(jì)次計(jì)數(shù)器發(fā)出一個(gè)進(jìn)位信號(hào)，使RS觸發(fā)器置于零狀態(tài)，封鎖與門，時(shí)間計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。利用這個(gè)進(jìn)位脈沖還把測(cè)得的時(shí)間存放到數(shù)據(jù)鎖存器中。

在RS觸發(fā)器零狀態(tài)期間，計(jì)算機(jī)要做以下工作：發(fā)“計(jì)1”信號(hào)，讀取“正程”計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)；發(fā)“計(jì)2”信號(hào)，讀取漏計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)；送收發(fā)轉(zhuǎn)換信號(hào)“計(jì)3”，使流量計(jì)從“正程”工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為“逆程”工作狀態(tài)。做完之后，計(jì)算機(jī)還要發(fā)“計(jì)4”信號(hào)把N值重新裝載到測(cè)次計(jì)數(shù)器中，使進(jìn)位脈沖下跳歸零，同“正程”一樣，又進(jìn)入“逆程”的“環(huán)鳴”測(cè)時(shí)過(guò)程。

在“環(huán)鳴”過(guò)程中，是不希望由于某種意外使“環(huán)鳴”中斷的。如果發(fā)生這種情況，儀器應(yīng)該能夠自動(dòng)恢復(fù)到“環(huán)鳴”狀態(tài)中。否則，流量計(jì)將“死機(jī)”。這個(gè)恢復(fù)系統(tǒng)由漏收計(jì)數(shù)器、漏收計(jì)次器、單穩(wěn)1等電路組成。漏收計(jì)時(shí)器是一個(gè)可預(yù)置的同步計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器記到全1之后，將發(fā)出進(jìn)位脈沖。計(jì)數(shù)器裝訂的數(shù)值應(yīng)大于 “環(huán)鳴”周期，例如選在1.5倍。這個(gè)進(jìn)位脈沖一路送到或門去觸發(fā)單穩(wěn)1，使丟失的發(fā)射同步信號(hào)重新出現(xiàn)；另一路送到漏收計(jì)次器，記下對(duì)計(jì)時(shí)無(wú)用的漏計(jì)時(shí)間。在正常情況下，由于漏收計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)長(zhǎng)度比環(huán)鳴周期長(zhǎng)，所以漏收計(jì)時(shí)器不會(huì)有進(jìn)位脈沖輸出，只有在接收機(jī)沒(méi)有收到信號(hào)的情況下，才會(huì)有進(jìn)位脈沖輸出。

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