基于速度差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理，分析了硬件延時(shí)對(duì)測(cè)量精度造成的誤差。提出可采用二次回波法和聲速法來(lái)提高測(cè)量精度，利用數(shù)學(xué)模型分析 2 種方法的可行性，***后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這 2 種方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明二次回波法和聲速法對(duì)提高了超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的可行性和有效性。

0.引言

速度差法超聲波流量計(jì)是利用聲波在順流方向與逆流方向的傳播速度差來(lái)反映流體流速的精密流量計(jì)量?jī)x表。其能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)量的關(guān)鍵在于測(cè)量聲波在順流方向與逆流方向的傳播時(shí)間。為提高超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，很多學(xué)者在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并提出了一系列的改進(jìn)方法，如峰值檢測(cè)法、雙門(mén)限測(cè)量法、雙閾值比較法、自適應(yīng)門(mén)限觸發(fā)法、信號(hào)質(zhì)量判斷機(jī)制等 這些方法提高了超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，也有一些學(xué)者通過(guò)數(shù)學(xué)分析及數(shù)字算法得到了提 高 超 聲 波 流 量 計(jì) 精 度 的 方法,但對(duì)于速度差法測(cè)量中的硬件延時(shí)問(wèn)題尚沒(méi)有很好的解決方案。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出采用二次回波法和聲速法 2 種方法，用于提高速度差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度。

1.速度差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

如圖 1 所示，速度差法超聲波流量計(jì)有相對(duì)放置的 2 個(gè)超聲波換能器 A，B，交替發(fā)出超聲波，超聲波發(fā)射點(diǎn)與接收點(diǎn)之間的距離為 L，超聲波傳播路徑與流體軸向的夾角為 ，管道截面直徑為 D，流體的軸向平均流速為 v。

式中: tup 為超聲波在流體中順流傳播的時(shí)間，即換能器 A 發(fā)射超聲波，換能器 B 接收超聲波; tdown 為超聲波在流體中逆流傳播的時(shí)間，即換能器 B 發(fā)射超聲波，換能器 A 接收超聲波。

由式( 1) 、式( 2) 可導(dǎo)出超聲波信號(hào)在順流方向與逆流方向的速度差公式為

由式( 5) 可知: 管道內(nèi)徑 D、聲道角 由超聲波管體決定，是一個(gè)常數(shù)，tup 與 tdown 的測(cè)量精度直接影響超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度。

2.硬件延時(shí)誤差分析

超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理框圖如圖 2 所示，由CPU 控制發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，同時(shí)控制CPLD 或?qū)Ｓ脮r(shí)間芯片等精密計(jì)時(shí)電路開(kāi)始計(jì)時(shí)接收換能器接收到信號(hào)后，CPU 控制信號(hào)處理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，然后送入計(jì)時(shí)電路，計(jì)時(shí)電路計(jì)得的時(shí)間送入 CPU 進(jìn)行運(yùn)算。

由上述測(cè)量原理框圖可以看出，流量計(jì)通過(guò)計(jì)時(shí)電路測(cè)得的時(shí)間，不僅包括超聲波信號(hào)的傳播時(shí)間 tup

與 tdown ，還包括發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)、發(fā)射換能器的轉(zhuǎn)換延時(shí)、接收換能器的轉(zhuǎn)換延時(shí)和信號(hào)處理電路的延時(shí)。若把發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)、發(fā)射換能器的轉(zhuǎn)換延時(shí)定義為發(fā)射電路的延時(shí)，把接收換能器的轉(zhuǎn)換延時(shí)和信號(hào)處理電路的延時(shí)定義為接收電路的延時(shí)，計(jì)時(shí)電路測(cè)得時(shí)間可表示為

式中: tmup 為換能器 A 發(fā)射、換能器 B 接收時(shí)，計(jì)時(shí)電路計(jì)得的時(shí)間; tAf 為換能器 A 的發(fā)射延時(shí); tBr 為換能器 B 的接收延時(shí)。

同理，可得:

式中: tmdown 為換能器 B 發(fā)射、換能器 A 接收時(shí)，計(jì)時(shí)電路計(jì)得的時(shí)間; tBf 為換能器 B 的發(fā)射延時(shí); tAr 為換能器 A 的接收延時(shí)。

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同，換能器的發(fā)射延時(shí)、接收延時(shí)在 50 ～ 500 ns 之間不等，而超聲波流量計(jì)的順、逆

器的發(fā)射延時(shí)、接收延時(shí)不做處理，直接將計(jì)時(shí)電路得到的時(shí)間作為超聲波傳播時(shí)間來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，將會(huì)引入很大的測(cè)量誤差，這在流量計(jì)進(jìn)行小流量測(cè)量時(shí)很明顯。同時(shí)，由于不同換能器的發(fā)射延時(shí)、接收延時(shí)也不同，如果在零流量時(shí)代入計(jì)算公式，會(huì)造成零點(diǎn)誤差。

3.提高測(cè)量度的方法

由上述分析可知，要提高速度差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度，必須消除硬件延時(shí)誤差。本文提出二次回波法和聲速法來(lái)消除硬件延時(shí)誤差。

3．1 二次回波法

如圖 3 所示，在換能器 A 發(fā)射超聲波時(shí)，換能器 B會(huì)接收到 2 個(gè)信號(hào)，一個(gè)是直接接收換能器 A 發(fā)射的超聲波信號(hào)，另一個(gè)是換能器 A 發(fā)射的超聲波由換能器 B，A 兩次反射后的信號(hào)，可通過(guò)計(jì)時(shí)電路分別計(jì)得換能器 A 發(fā)射、換能器 B 接收的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，和換能器 A 發(fā)射、換能器 B 接收 2 次反射后的信號(hào)到達(dá)時(shí)間。

換能器 A 發(fā)射、換能器 B 接收的信號(hào)到達(dá)時(shí)間為 tmup ，定義換能器 A 發(fā)射、換能器 B 接收 2 次反射后的信號(hào)到達(dá)時(shí)間tmup2 ，這兩個(gè)時(shí)間分別可以用式( 6) 和式( 7) 表示:

在流體靜止時(shí)，流體流速 v 為 0，tup 與 tdown 相等，分別定義計(jì)時(shí)電路計(jì)得順程時(shí)間為 tmup0 ，2 次反射后的信號(hào)到達(dá)時(shí)間 tmup02 ，由式( 8) 和式( 9) 可計(jì)算出硬件延時(shí):

式中: tmdown0 為流體靜止時(shí)計(jì)時(shí)電路計(jì)得的逆程時(shí)間; tmdown02 為換能器 B 發(fā)射、換能器 A 接收 2 次反射后的信號(hào)到達(dá)時(shí)間。

在測(cè)量時(shí)，用計(jì)時(shí)電路計(jì)得的時(shí)間減去硬件延時(shí)，即可得到超聲波順、逆程的真實(shí)傳播時(shí)間，由式 ( 5) ～ 式( 7) 可得流體流速公式為采用式( 12) 測(cè)量，式中增加了二次回波時(shí)間參數(shù)，可以實(shí)時(shí)消除換能器發(fā)射、接收的硬件延時(shí)，可直接測(cè)得超聲波在流體中真正的傳播時(shí)間，從而可測(cè)得流體的流速值。

3．2 聲速法

另一種測(cè)量方法是利用測(cè)量流體中的聲速，在流體靜止時(shí)計(jì)算出流量計(jì)的順、逆程硬件延時(shí)，并代入公式參與計(jì)算。

在流體靜止時(shí)，由式( 1) 、式( 4) 、式( 6) 可得順程

的硬件延時(shí)公式為

其中，管道口徑 D 與聲道夾角 ，在管體加工時(shí)已經(jīng)確定，可以通過(guò)實(shí)測(cè)測(cè)得。通過(guò)聲速測(cè)量?jī)x表測(cè)得聲速參量 c，就可以計(jì)算出流量計(jì)的硬件延時(shí)，在測(cè)量過(guò)程中減去硬件延時(shí)，再由式( 5) ～ 式( 7) 計(jì)算，可得流體流速公式為

此方法可以通過(guò)在流體靜止時(shí)，使用聲速計(jì)算得到硬件延時(shí)，再代入流速測(cè)量公式中參與計(jì)算，亦可消除由時(shí)間延遲造成的誤差。

4.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

為了驗(yàn)證上述 2 種方法的實(shí)際效果，在負(fù)壓音速?lài)娮煅b置上，如圖 4 所示，使用 DN100 口徑單聲道氣體超聲波流量計(jì)管體進(jìn)行了實(shí)流測(cè)試。

測(cè)試過(guò)程分別采用了傳統(tǒng)理論方法、二次回波法和聲速法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表 1 所示，由表中數(shù)據(jù)繪制精度－流量圖如圖 5 所示。

由圖 5 可知: 傳統(tǒng)理論方法獲得的精度－流量圖線(xiàn)性較差、斜率較大，且在小流量時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差;二次回波法和聲速法獲得的精度－ 流量點(diǎn)圖線(xiàn)性良好、斜率較小，且在小流量時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大誤差; 二次回波法的精度－流量點(diǎn)圖線(xiàn)與聲速法的相比，斜率更小，且在同等流量時(shí)測(cè)量誤差更小。由此說(shuō)明: 二次回波法和聲速法均可以大大提高速度差法超聲波流量計(jì)測(cè)量的精度，可直接用于生產(chǎn)實(shí)踐; 且二次回波法比聲速法測(cè)量效果更好，其原因是聲速法需用其他設(shè)備測(cè)量聲速及聲道長(zhǎng)度，在測(cè)量過(guò)程中引入了間接誤差。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)速度差法超聲波流量計(jì)計(jì)時(shí)過(guò)程中引入的硬件延時(shí)誤差影響測(cè)量精度問(wèn)題，分析了誤差產(chǎn)生的原因及造成的影響，提出了用二次回波法和聲速法來(lái)消除硬件延時(shí)誤差，進(jìn)而提高測(cè)量精度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 2 種方法正確性和有效性。其中采用二次回波法更加，但測(cè)量過(guò)程較聲速法更加復(fù)雜。