滕世國(guó) 王祥達(dá) 李萍 郭甲

（1.乳源東陽(yáng)光機(jī)械有限公司 廣東省韶關(guān)市 512721 2.韶關(guān)東陽(yáng)光自動(dòng)化設(shè)備有限公司 廣東省韶關(guān)市 512721）

隨著工業(yè)信息化的推進(jìn)，其發(fā)展進(jìn)程不斷加快。流量檢測(cè)在工業(yè)信息化發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮著舉足輕重的作用，其技術(shù)亦不斷提高。超聲波流量計(jì)具有非接觸、檢測(cè)范圍廣、適用性好等優(yōu)勢(shì)特性，逐漸在流量檢測(cè)市場(chǎng)占據(jù)重要地位。不過(guò)，傳統(tǒng)的超聲波流量計(jì)在檢測(cè)時(shí)由于聲速隨溫度的變化以及氣體摻雜到液體導(dǎo)致液體平均聲速減小和聲波散射，致使在實(shí)際流量檢測(cè)應(yīng)用中得到的結(jié)果不夠準(zhǔn)確。尤其在諸如智能座便器流量檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合，水的溫度受環(huán)境以及應(yīng)用需求影響會(huì)產(chǎn)生變化，某一溫度下的固定聲速難以滿足較為精確的流量測(cè)量的要求，也無(wú)法實(shí)時(shí)反饋水溫以便進(jìn)行水溫調(diào)整。另外，隨著使用時(shí)間的增加，管道中的液體內(nèi)容易摻入氣體，除了會(huì)導(dǎo)致液體平均聲速變化影響流量測(cè)量結(jié)果外，還容易損壞管道，帶來(lái)一定的安全隱患。為進(jìn)一步提高超聲流量計(jì)的準(zhǔn)確性，滿足更高的檢測(cè)要求，同時(shí)增強(qiáng)超聲流量計(jì)適用性，本文設(shè)計(jì)了一種兼具溫度反饋和氣體報(bào)警功能的一體化超聲流量計(jì)。基于目前國(guó)內(nèi)外超聲波及超聲波流量計(jì)應(yīng)用的研究基礎(chǔ)，結(jié)合聲波飛行時(shí)間、液體中聲速-溫度變化規(guī)律，并考慮氣體對(duì)平均聲速的影響，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的流量測(cè)量、溫度反饋和氣體報(bào)警功能。

1 超聲流量計(jì)組成

圖1：超聲流量計(jì)組成示意圖

圖2：超聲流量計(jì)簡(jiǎn)化模型圖

圖3：超聲換能器1 發(fā)射信號(hào)&超聲換能器2 接收信號(hào)

本文設(shè)計(jì)的兼具溫度反饋和氣體報(bào)警功能的一體化超聲流量計(jì)，其設(shè)計(jì)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。該超聲流量計(jì)組成部分包括：超聲換能器1、超聲換能器2、測(cè)量管、固定蓋1、固定蓋2、密封圈1、密封圈2、進(jìn)水口、出水口、連接線、控制器、顯示器、報(bào)警器。超聲換能器1 和2 分別通過(guò)固定蓋1 和2、密封圈1 和2 連接到測(cè)量管兩端，以防超聲換能器和測(cè)量管之間連接松動(dòng)和漏水。液體通過(guò)進(jìn)水口進(jìn)入測(cè)量管，經(jīng)過(guò)測(cè)量管后，從出水口流出。超聲換能器1 和2 全部通過(guò)連接線與控制器連接。超聲換能器在控制器的控制下，采用單發(fā)單收的工作模式，即其中一個(gè)超聲換能器發(fā)射信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)測(cè)量管中的液體到達(dá)另一個(gè)超聲換能器并被其接收。在一個(gè)工作周期內(nèi)，控制器控制兩個(gè)超聲換能器完成兩次交替的單發(fā)單收工作模式，即完成一次超聲換能器1 發(fā)射信號(hào)、超聲換能器2 接收信號(hào)，以及一次超聲換能器2 發(fā)射信號(hào)、超聲換能器1 接收信號(hào)，超聲換能器1 和2 的所有發(fā)射和接收信號(hào)均由控制器記錄并處理?？刂破鲗⑻幚淼膶?shí)時(shí)流量測(cè)量、溫度反饋結(jié)果傳輸?shù)斤@示器上，并將氣體報(bào)警信號(hào)傳輸?shù)綀?bào)警器上。

圖4：超聲換能器2 發(fā)射信號(hào)&超聲換能器1 接收信號(hào)

圖5：T12 和T21 隨測(cè)量管中的流體聲速變化曲線

圖6：簡(jiǎn)單模型：液體中混入空氣柱

圖7：T12 和T21 隨測(cè)量管中空氣體積占比φ 變化曲線

2 超聲流量計(jì)流量測(cè)量和溫度反饋原理

超聲流量計(jì)的基本物理模型可簡(jiǎn)化為如圖2所示的x 軸上的一維聲波傳輸模型。測(cè)量管中的液體聲速為cf，液體的流速設(shè)為Vf，超聲換能器1 和2 之間的距離為L(zhǎng)。

在一個(gè)工作周期內(nèi)，先由超聲換能器1 發(fā)射信號(hào)、超聲換能器2 接收信號(hào)，如圖3所示，得到超聲信號(hào)飛行時(shí)間T12：

再由超聲換能器2 發(fā)射信號(hào)、超聲換能器1 接收信號(hào)，如圖4所示，得到超聲信號(hào)飛行時(shí)間T21：

通過(guò)計(jì)算可得：

鑒于液體中的聲速cf與其溫度Tf之間有明確的映射關(guān)系：

結(jié)合公式（4）以及測(cè)量管的橫截面積Sf，可計(jì)算出液體的流量Qf和溫度Tf：

3 超聲流量計(jì)氣體報(bào)警功能原理

液體中的聲速一般遠(yuǎn)大于氣體中的聲速。若液體中摻入氣體，將會(huì)導(dǎo)致測(cè)量管中流體的平均聲速下降，從公式（1）和公式（2）可以看出，這會(huì)導(dǎo)致超聲信號(hào)飛行時(shí)間T12和T21增加。以水和空氣為例，假設(shè)溫度保持20 ℃不變，此時(shí)水和空氣中的聲速分別約為1482 m/s 和342 m/s。兩種極限情況分別是測(cè)量管中充滿液體和充滿氣體。假設(shè)超聲換能器間距L=5 cm，測(cè)量管內(nèi)無(wú)論充滿何種流體，其流速Vf=5 m/s 保持不變（流速一般遠(yuǎn)小于聲速）。圖5給出了T12和T21隨測(cè)量管中的流體聲速變化曲線。隨著測(cè)量管中流體聲速的減小，超聲信號(hào)飛行時(shí)間不斷增加，且增加速度越來(lái)越快。

考慮如圖6所示的簡(jiǎn)單模型，測(cè)量管中的液體混入了一段長(zhǎng)度為D 的空氣柱，占整個(gè)測(cè)量管體積為φ，其密度和聲速分別為ρg和cg。液體本身的密度和聲速分別為ρw和cw。同樣以水和空氣為例，假設(shè)溫度保持20 ℃不變。

將圖6的液體中混入空氣柱的簡(jiǎn)單模型與圖3和圖4的兩種發(fā)射-接收模型相結(jié)合?？紤]測(cè)量管中空氣體積占比φ 和空氣柱長(zhǎng)度D 以及流體平均聲速cf之間的關(guān)系：

進(jìn)一步推導(dǎo)可得：

圖7給出了T12、T21隨測(cè)量管中空氣體積占比φ 的變化曲線。隨著測(cè)量管中空氣體積占比φ 的增加，也就是隨著測(cè)量管中空氣越來(lái)越多，超聲信號(hào)的飛行時(shí)間會(huì)逐漸增加，且增加速度越來(lái)越快。

雖然水溫的變化也會(huì)導(dǎo)致水中聲速改變，進(jìn)而改變超聲信號(hào)在水中的飛行時(shí)間。不過(guò)，在0～100 ℃水溫范圍內(nèi)，聲速大概在1402～1555 m/s 范圍內(nèi)平穩(wěn)變化。對(duì)于水溫大于20 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的聲速，超聲信號(hào)飛行時(shí)間反而會(huì)減小，這不會(huì)影響到氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警功能的實(shí)現(xiàn)。對(duì)于水溫小于20 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的聲速，超聲信號(hào)飛行時(shí)間的增加非常有限，根據(jù)公式（7）可計(jì)算出最大對(duì)應(yīng)于約7%的空氣占比。因此，可設(shè)置7%以上的空氣占比為報(bào)警閾值。

4 結(jié)語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量、溫度反饋和氣體報(bào)警功能。在有效增加超聲波流量計(jì)功能的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步增強(qiáng)超聲波流量計(jì)的適用性，滿足復(fù)雜場(chǎng)景下的應(yīng)用需求，及時(shí)反饋管道的實(shí)時(shí)信息，避免管道損壞，有利于拓寬超聲波流量計(jì)應(yīng)用范圍。