劉艷萍，王獻(xiàn)勇，趙連環(huán)

(1．河北工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，天津　300401；2．唐山世佳電子有限公司3，河北唐山　063000)

0　引言

多聲道超聲流量計(jì)具有計(jì)量精度高、對(duì)管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)壓力損失等優(yōu)點(diǎn)，多聲道布置方式改善了單聲道布置在非理想流場(chǎng)下測(cè)量精度相對(duì)較低的缺點(diǎn)，提升了計(jì)量精度，并且增強(qiáng)了對(duì)流速波動(dòng)的抗干擾能力[1]?？捎糜诖蠊軓綔y(cè)量，解決了流體流速分布對(duì)測(cè)量精度的影響，具有較高精度[2]。

通過(guò)多聲道超聲流量計(jì)不同的弦向聲道長(zhǎng)度，在靜水狀態(tài)下，可以計(jì)算出硬件電路和超聲換能器以及算法原理上的平均延時(shí)，用以補(bǔ)償測(cè)量的平均傳輸時(shí)間，提高時(shí)間測(cè)量精度。在常態(tài)測(cè)量狀態(tài)下，計(jì)算各個(gè)弦向聲道的定時(shí)誤差，判斷其是否出現(xiàn)跳峰等錯(cuò)誤，而進(jìn)一步修正測(cè)量時(shí)間。

1　超聲波測(cè)量原理

時(shí)差法原理[3]如圖1所示，流體的速度為v，超聲波在靜止流體中的速度為c，管徑為D，發(fā)射角度為θ，tU、tD為正逆程傳播時(shí)間。

圖1　速度差法原理圖

順流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度為：

(1)

逆流時(shí)超聲波在流體中的傳播速度

(2)

兩式相減，并考慮到Δt=tD-tU，可以得到

(3)

2　多聲道流量計(jì)的原理

2．1四聲道流量計(jì)的聲道分布

多聲道超聲波換能器分布在測(cè)量管段的不同流層，大多數(shù)采用偶數(shù)聲道的布置方式，可以更好地反映流體流速分布的對(duì)稱性。有多種多聲道超聲流量計(jì)的聲道布置方式，包括平行方式、對(duì)角方式和網(wǎng)絡(luò)方式等[4]。文中采用四聲道平行聲道布置方式的多聲道超聲流量計(jì)，分布方式如圖2所示。

(a)

(b)

其中，超聲波換能器安裝方法采用直插法[5-6]，入射角度為45°。4個(gè)聲道A、B、C、D的安裝角度分別為18°和54°．管道外徑為216 mm，壁厚8 mm．

2．2多聲道流量計(jì)的流速計(jì)算

該四聲道超聲流量計(jì)采用時(shí)差法的測(cè)量原理[7]。根據(jù)時(shí)差法的工作原理，從管道的橫向方向看，在各個(gè)聲道分布的弦線上，如圖2(a)，第i個(gè)弦向聲道沿軸線方向的平均流速為

(4)

式中：vi(ri)為第i個(gè)弦向聲道沿軸線方向的平均流速；Li(ri)第i個(gè)弦向聲道的聲程；θ為弦向聲道與軸向方向的夾角，即入射角度；tUi為第i個(gè)弦向聲道超聲波正程傳播時(shí)間；Δti為第i個(gè)弦向聲道正逆程傳播時(shí)間差。

根據(jù)4個(gè)不同弦向聲道所測(cè)得的平均流速，采用加權(quán)的方法，得到多聲道超聲流量計(jì)流過(guò)橫截面的平均流速(即瞬時(shí)流速)為

(5)

式中：Wi為第i個(gè)弦向聲道的加權(quán)系數(shù)。

在文中的聲道分布方式中，N=4，加權(quán)系數(shù)分別為0.228 75、0.257 5、0.257 5、0.228 75。

3　時(shí)差法的測(cè)量延時(shí)與補(bǔ)償

3．1測(cè)量延時(shí)

四聲道超聲流量計(jì)采用時(shí)差法的測(cè)量原理，當(dāng)某一程開(kāi)始，系統(tǒng)發(fā)出一束方波信號(hào)，通常是差分信號(hào)，來(lái)激勵(lì)超聲波換能器，使電信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)發(fā)送出去。超聲波信號(hào)通過(guò)一段長(zhǎng)度的聲程，到達(dá)接收端的超聲波換能器，換能器將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送往采樣電路，通過(guò)相應(yīng)的算法確定超聲波的到達(dá)時(shí)刻[8]。正逆程時(shí)間測(cè)量原理如圖3所示。

圖3　時(shí)間測(cè)量原理

圖3中：A為系統(tǒng)發(fā)出激勵(lì)信號(hào)的起始時(shí)刻；B為超聲波從換能器翻出的時(shí)刻；C為超聲波到達(dá)接收換能器的時(shí)刻；D為測(cè)量算法確定的到達(dá)時(shí)間；τ1為聲波在聲楔和電路中傳輸時(shí)間，稱為電路延時(shí)；t為超聲波在聲道中的實(shí)際傳播時(shí)間；τ2為測(cè)量算法確定的到達(dá)時(shí)刻與實(shí)際到達(dá)時(shí)刻的差，稱為聲道延時(shí)；T為測(cè)量得到的總的超聲波傳播時(shí)間。

采用的到達(dá)時(shí)刻確定算法為閾值法，即當(dāng)接收到的超聲波信號(hào)幅度超過(guò)某一設(shè)定預(yù)知的時(shí)候，將該波的下一個(gè)過(guò)零點(diǎn)作為超聲波的到達(dá)時(shí)刻。一般來(lái)說(shuō)，聲波在聲楔和電路中都會(huì)有一定的傳輸時(shí)間，即為電路延時(shí)。同時(shí)，測(cè)量算法確定的到達(dá)時(shí)刻與實(shí)際到達(dá)時(shí)刻之間會(huì)有一定的差值，即為聲道延時(shí)。如圖所示，由于有電路延時(shí)和聲道延時(shí)的存在，使得根據(jù)算法測(cè)得的總的超聲波傳播時(shí)間總是大于超聲波實(shí)際的傳播時(shí)間，即

T=t+τ1+τ2

(6)

3．2測(cè)量延時(shí)補(bǔ)償方法[9]

四聲道超聲流量計(jì)擁有2個(gè)不同的聲程長(zhǎng)度，LA和LB分別為聲道A和聲道B的聲程。假設(shè)，在2個(gè)不同聲程長(zhǎng)度的弦向聲道中，超聲波在流體中的聲速c和延時(shí)τ相同，其中τ=τ1+τ2。在靜水狀態(tài)測(cè)量時(shí)，測(cè)量得到的超聲波總的傳輸時(shí)間為T，則

(7)

由式(7)可以得出延時(shí)τ為：

(8)

在實(shí)際操作過(guò)程中，可以通過(guò)式(8)來(lái)確定延時(shí)τ，單通常情況下τA≠τB。習(xí)慣的做法是在生產(chǎn)制造的過(guò)程中確定超聲波換能器和電路的延時(shí)時(shí)間。知道了延時(shí)τ，就可以用來(lái)校正傳輸時(shí)間，測(cè)量得到的超聲波總的傳輸時(shí)間T中減去延時(shí)τ就得到了超聲波在聲道中的實(shí)際傳播時(shí)間t。

3．3定時(shí)誤差

(9)

定義一個(gè)新的變量η，則

(10)

式中：tm=t+te為減去延時(shí)的測(cè)量傳播時(shí)間；te為定時(shí)誤差。

若所有的時(shí)間測(cè)量無(wú)誤，則η=0。若峰值選擇錯(cuò)誤，出現(xiàn)跳峰的情況，使過(guò)零點(diǎn)的確定出現(xiàn)差錯(cuò)，則會(huì)產(chǎn)生定時(shí)誤差te，如圖4所示。

圖4　過(guò)零點(diǎn)選擇

若過(guò)零點(diǎn)選擇錯(cuò)誤，定時(shí)誤差te存在，則

(11)

η的值取決于定時(shí)誤差te，這是一個(gè)很好的估測(cè)定時(shí)誤差影響的方法。四聲道超聲流量計(jì)可以計(jì)算出各個(gè)弦向聲道的定時(shí)誤差，從而進(jìn)一步校正測(cè)量時(shí)間，提高測(cè)量精度[10]。

若出現(xiàn)單個(gè)跳峰，則η≠0。在文中所用的實(shí)驗(yàn)管道中，管道外徑為216 mm，壁厚8 mm，LA=166.250 mm、LB=268.999 mm，超聲波信號(hào)頻率為1 MHz ，周期為1 μs，平均流速大約為8 m/s，流體聲速為1 482 m/s，測(cè)得的η如表1和表2所示，單位為μs．

通過(guò)弦向聲道A時(shí)間測(cè)量和弦向聲道B時(shí)間測(cè)量，在測(cè)量過(guò)程中，若某一聲道出現(xiàn)跳峰另一聲道正常，或者同時(shí)出現(xiàn)跳峰，同時(shí)測(cè)量正常，則在上述情況下可能的組合如表1所示。

表1　η函數(shù)值

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

四聲道超聲流量計(jì)的安裝方式如圖3所示，文中所使用超聲波信號(hào)頻率為1 MHz，流體聲速為1 482 m/s．

在靜水測(cè)量狀態(tài)下，通過(guò)多聲道超聲流量計(jì)不同的弦向聲道長(zhǎng)度及其平均傳播時(shí)間，計(jì)算得到的電路延時(shí)和聲道延時(shí)之和的平均值，如表2所示。

表2　延時(shí)平均值

用表2得到的延時(shí)的平均值來(lái)補(bǔ)償超聲波在聲道中的平均傳播時(shí)間，在延時(shí)補(bǔ)償前后，測(cè)得的超聲波在靜水中的傳播速度如表3所示。

表3　延時(shí)補(bǔ)償前后流體聲速　m/s

5　結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可知，延時(shí)補(bǔ)償可以減少電路延時(shí)和聲道延時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的誤差，提高多聲道流量計(jì)的測(cè)量精度。同時(shí)可以在測(cè)量的過(guò)程中，動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)各個(gè)弦向聲道的定時(shí)誤差，判斷是否出現(xiàn)跳峰等錯(cuò)誤，以進(jìn)一步提高測(cè)量精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡武昌，孫淮清，紀(jì)綱，等．流量測(cè)量方法和儀表的選用．北京：化工工業(yè)出版社，2001．

[2]劉欣榮．流量計(jì)，第2版．北京：水利電力出版社，1990：1-5．

[3]李廣峰，劉防，高勇．時(shí)差法超聲波流量計(jì)的研究．電測(cè)與儀表，2000，37(9)：13-17．

[4]王華青．氣體超聲流量計(jì)測(cè)量原理，標(biāo)定及維護(hù)．計(jì)量技術(shù)，2006(1)：61-2．

[5]李夏青，左麗．超聲波流量計(jì)換能器的入射角及振蕩頻率對(duì)測(cè)量精度的影響．儀表技術(shù)與傳感器，2000(4)：28-9．

[6]CARLANDER Carl，DELSING Jerker．Installation effects on an ultrasonic flow meter with implications for self diagnostics．Flow Measurement and Instrumentation，2000，11(2)：109-122．

[7]李躍忠，李昌禧．多聲道超聲氣體流量計(jì)的建模與仿真，華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，自然科學(xué)版，2006，34(4)：39-4l．

[8]張世榮．熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量及補(bǔ)償算法研究：[學(xué)位論文]．武漢：華中科技大學(xué)，2007．

[9]MANDARD E，KOUAME D，BATTAULT R，et al．Transit time Ultrasonic flowmeter：velocity profile estimation．Ultrasonic Symposium，2005，2(18-21)：763-766．

[10]BUONANNO G．On field characteristerisation of static domestic gas flowmeters．Measurement，2000，27：277-285．