提高小管径时差法超声波流量测量系统测量精度的研究

　　0　引言

　　超声波流量计在测量15mm以上管径的流量时,测量结果比较准确,而对于15mm以下的管径,尤其是10mm以下的管径,测量结果偏差比较大。针对此问题,本文在介绍超声波流量测量系统的基础上,提出了几点思考,以作为提高小管径超声波流量计测量精度的参考。

　　1　超声波流量测量原理

　　超声波流量测量系统设计采用时差法[1],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,则

　　将L3=dtanθ2带入式(4)并变换可得

　　则通过被测管道的流量为

　　从式(6)可以看出,在理想情况下,流量Q与被测管道内径d、超声波在被测流体中的声速C0、从管壁到被测流体间超声波信号的折射角θ2、顺流与逆流的时间差Δt有关。

　　2　误差分析

　　根据以上分析可以看出,在影响流量的因素中管道内径d为实际测量值,管壁到被测流体间超声波信号的折射角θ2由管道材料和被测流体的类型所决定。提高系统测量精度主要考虑如何准确测量顺流与逆流的时间差Δt以及降低声速C0对液体速度v的影响。

　　2.1　延长声波法

　　对于小管径而言,单次测量超声波在流体中的传播时间t1、t2以及二者之差Δt难度比较大,因为三者都是以ns为单位,实际中对计数电路和时钟电路的实现要求很高。为解决这一问题,可以采用声循环法[2]延长声波的传播时间。其原理为:将一个超声波换能器T1作为发射探头,另一个超声波换能器T2作为接收探头,如图2(a)所示。将同步触发信号施加在发射探头T1上使它发射出超声波。