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超聲流量計 超聲流量計是通過(guò)檢測流體流動(dòng)對超聲束或超聲脈沖的作用來(lái)測量流量的儀表。作為一種非接觸式測量?jì)x表，它相對于傳統的流量計而言具有可進(jìn)行非接觸式測量、原理上不受管徑限制、其造價(jià)基本與管徑無(wú)關(guān)、可測量含有氣泡的液體等優(yōu)點(diǎn)。 對封閉管道用超聲流量計來(lái)說(shuō)，按其測量原理可分為傳播時(shí)間法、多普勒效應法、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)間之差與被測流體流速之間的關(guān)系求得流速，稱(chēng)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出流體的流速，從而換算成流量。根據時(shí)差的表現形式不同，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，聲波從換能器T1發(fā)出，經(jīng)過(guò)輸液管道另一側的內壁，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，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。這里假設折射角為θ2、θ3。流量計在工作時(shí)，換能器T1、T2輪流做發(fā)射和接收。因為管中的液體是流動(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，因為沒(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D為輸液導管內徑；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)間又互為倒數關(guān)系，三種方法沒(méi)有本質(zhì)的區別。 普通方法測量時(shí)間差 所存在問(wèn)題分析 從上述公式的推導中可以看出，要運用傳播時(shí)間測流量時(shí)，最關(guān)鍵的測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，流量才能由其導出。 對于小口徑、低流速的情況，順逆流的時(shí)差非常短，典型最大流量對應的時(shí)差僅約20ns，精確測量難度很大，需要極高的時(shí)鐘頻率。如果測量方法粗放，這個(gè)極小的時(shí)間量很可能被淹沒(méi)在測量的誤差中。因此，如何才能測量到這個(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)鳴法的設計確定 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，當換能器T1發(fā)射聲信號，在換能器T2收到信號的時(shí)刻，令T1再次發(fā)射聲信號，而T2再次接收，這樣如此循環(huán)發(fā)射、接收N次。通過(guò)測量記錄下N次測量的總時(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)量比起單次測量時(shí)，它已經(jīng)擴大了2N倍。由測量帶來(lái)的誤差經(jīng)過(guò)了N次累加后，其均值則向零靠近，使得測量精度提高了倍。此時(shí)這個(gè)值就較容易測量，從而得到想要的流量數據。 環(huán)鳴法要解決的幾個(gè)重要問(wèn)題 精確捕捉計時(shí)點(diǎn) 新測量方法用具有半個(gè)周期的正弦脈沖去激勵換能器。由于換能器是一個(gè)窄帶系統，在電脈沖的激勵下，發(fā)射和接收的聲信號都是較短的、有正弦填充的、具有鐘形包絡(luò )的脈沖信號，如圖3所示。本文選用沖擊信號作發(fā)射源，信號持續時(shí)間短，因此比較適合細管徑的輸液管道測量。 正弦函數在過(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)檢測出來(lái)，回波時(shí)間的測量精度將極大提高。從總方框圖可知，過(guò)零點(diǎn)的檢測電路是由過(guò)零比較器、電平比較器、單穩2電路和與門(mén)電路等組成。其波形和信號之間的邏輯關(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)計時(shí)點(diǎn)立刻觸發(fā)單穩1電路以獲得發(fā)射同步信號。 信號門(mén) 接收信號中并不是只有從T1到T2在液體中傳播的聲信號，還有T1到T2沿管壁傳播的聲信號。在獲得精確計時(shí)點(diǎn)時(shí)，較高的信號過(guò)電平比較器后送出的第一個(gè)脈沖對測量是不必要的。因此，在做數字信號處理的時(shí)候，只能把電平比較器送出的第一個(gè)脈沖放行，其他信號將被信號門(mén)過(guò)濾掉。不同管徑的輸液管道，聲信號的傳播時(shí)間是不同的。因此，信號門(mén)的位置也不同。本設計中采用了信號門(mén)計數器，用數據裝訂的辦法改變信號門(mén)的位置。從總框圖中可以看到，信號門(mén)電路是由可預置的同步計數器、RS觸發(fā)器等電路組成。由發(fā)射同步信號觸發(fā)RS觸發(fā)器置 0，封鎖其后的脈沖，然后由計數器的進(jìn)位脈沖在信號到來(lái)之前將RS觸發(fā)器置1，開(kāi)門(mén)等待接收信號，如圖4所示。
計時(shí)電路 計時(shí)電路是由時(shí)間計數器、計次計數器、RS觸發(fā)器和與門(mén)等電路組成。發(fā)射同步信號是計時(shí)、計次的核心。如圖5所示，第一個(gè)發(fā)射同步信號是由計算機通過(guò)“計 4”發(fā)出的，經(jīng)過(guò)或門(mén)觸發(fā)器單穩1得到的發(fā)射同步信號觸發(fā)器RS觸發(fā)器，使其變?yōu)?狀態(tài)，打開(kāi)與門(mén)，使時(shí)鐘通過(guò)，時(shí)間計數器計時(shí)開(kāi)始。以后的發(fā)射都是由接收機收到的信號觸發(fā)，這時(shí)流量計進(jìn)入“環(huán)鳴”狀態(tài)。每發(fā)射一次，計數器的數值都要加1。當計數值達到N+1時(shí)(實(shí)際上只有N次測量)，計次計數器發(fā)出一個(gè)進(jìn)位信號，使RS觸發(fā)器置于零狀態(tài)，封鎖與門(mén)，時(shí)間計數器停止計數。利用這個(gè)進(jìn)位脈沖還把測得的時(shí)間存放到數據鎖存器中。 在RS觸發(fā)器零狀態(tài)期間，計算機要做以下工作：發(fā)“計1”信號，讀取“正程”計時(shí)數據；發(fā)“計2”信號，讀取漏計時(shí)數據；送收發(fā)轉換信號“計3”，使流量計從“正程”工作狀態(tài)轉為“逆程”工作狀態(tài)。做完之后，計算機還要發(fā)“計4”信號把N值重新裝載到測次計數器中，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，儀器應該能夠自動(dòng)恢復到“環(huán)鳴”狀態(tài)中。否則，流量計將“死機”。這個(gè)恢復系統由漏收計數器、漏收計次器、單穩1等電路組成。漏收計時(shí)器是一個(gè)可預置的同步計數器。計數器記到全1之后，將發(fā)出進(jìn)位脈沖。計數器裝訂的數值應大于 “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(mén)去觸發(fā)單穩1，使丟失的發(fā)射同步信號重新出現；另一路送到漏收計次器，記下對計時(shí)無(wú)用的漏計時(shí)間。在正常情況下，由于漏收計時(shí)器的計數長(cháng)度比環(huán)鳴周期長(cháng)，所以漏收計時(shí)器不會(huì )有進(jìn)位脈沖輸出，只有在接收機沒(méi)有收到信號的情況下，才會(huì )有進(jìn)位脈沖輸出。 結語(yǔ) 該套儀表進(jìn)行了多次試驗，保證了潛艇航行中各項指令的正確執行，設備先進(jìn)可靠，安裝在潛艇上均衡注、排水量和移水量一目了然，其精度更高，抗干擾能力更強。 參考文獻 1. 蘇彥勛. 流量計量與測試. 中國計量出版社，2007 2. 張朝暉. 檢測技術(shù)及應用. 中國計量出版社，2005年10月 3. 廖志敏，熊珊. 超聲波流量計的研究和應用. 管道計術(shù)與設備，2004年04期:12-14 4. 徐英華，楊有濤. 流量及分析儀表. 中國計量出版社, 2008 作者：錦州航星集團有限公司 宛寧 來(lái)源:電子設計應用2009年第12期 |
