超声波流量检测系统误差的温度修正研究

　　1　超声波流量检测原理

　　本文超声波流量检测系统设计采用时差法,超声波换能器对采用管外V型安装方式,测量原理如图1所示。

　　超声波换能器TRA和TRB在控制电路的作用下,将同时发射超声波脉冲,并同时接收对方发射的超声波信号。超声波换能器的K值决定了超声波信号入射角θ0的大小,而管道材料和K值将共同决定θ₁的大小,θ₂将由管道材料和被测液压油的类型所决定。

　　超声波信号发射后以θ₀的角度穿过换能器斜楔,在换能器界面发生折射后以θ₁的角度穿过管壁,在管壁与被测液压油的分界面上发生第二次折射,此后以θ₂的角度穿过被测液压油达到对面的管壁内侧面,经反射后超声波信号按相反的顺序进入另外一个换能器。设超声波信号在被测液压油中的声速为C₀,在管壁中的声速为C₁,超声波顺流时TRA到达TRB所需要的时间为t₁,逆流时TRB到达TRA所需要的时间为t₂,同时令则有式(1)和式(2)

　　式中:τ₁,τ₂为超声波换能器斜楔及电路延时,假设二者具有较好的一致性,可近似的认为τ₁、τ₂相等,式(2)减去式(1)得

　　因超声波信号在液压油中的声速远远大于一般液压油的流速,故式(3)中v₂sin²θ₂可以忽略不计,由此造成的影响甚微。可得

　　将L₃=dtanθ²代入式(4)并变换可得

　　对式(5)计算所得到的线流速加以校正,获得面流速

　　式中η为面速度对线速度的修正系数。则通过被测管道的流量大小表示为

　　由上式可以看出液压油中的声速对流量影响较大,在实际应用中,测量得到的声速是流量、压力、温度等多种因素作用的结果,尤其在液压系统长时间工作时,液压油的温度变化给系统带来的测量误差越来越大。为了减小由此引起的误差,本文设计实验实现了对两种常用液压油:32号抗磨液压油和10号航空液压油的温度—声速关系的测量。

　　2　温度—声速实验

　　2.1　实验原理和测试方案

　　温度—声速模型建立的实验原理:利用自行设计的超声波发射接收电路和HP54602B示波器配合进行恒压状态下声速间接测量,超声波发射至接收到第一次回波的时间间隔由示波器显示的发射脉冲信号和回波脉冲信号之间的时间轴读出。实验原理如图2所示。

　　此模型中超声波在液压油中的声速为

　　l为超声波在液压油中传播的单程距离; t为示波器中发射波与回波前后时间差; t′为超声波在容器壁中的传播时间。实验中超声波2次穿透底厚度为25mm的铝合金筒,超声波在铝合金中的声速为6320m/s,则超声波在容器壁中的传播时间:t′=2×25×10006320≈7.911μs