馬云峰，于勁竹

（天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院，天津 300192）

超聲波流量計(jì)是一種利用超聲波脈沖來(lái)測(cè)量流體流量的速度式流量?jī)x表，其通過(guò)測(cè)量順流時(shí)間和逆流時(shí)間差來(lái)推算出管道中被測(cè)流體的流速，進(jìn)而算出流量值。超聲波流量計(jì)是一種非接觸式測(cè)量設(shè)備，測(cè)量過(guò)程中不需破壞管道，不需停產(chǎn)，無(wú)壓損?，F(xiàn)已在工業(yè)生產(chǎn)、供水、能源計(jì)量等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。

1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)按測(cè)量方法的不同大致可分為時(shí)差法、頻差法、相位法和多普勒法等，目前便攜式超聲波流量計(jì)最常采用的是時(shí)差法，時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量原理如圖1 所示。圖中A 與B 為一對(duì)超聲波換能器，超聲波信號(hào)從A 到B 的傳輸時(shí)間tAB與從B 到A 的傳輸時(shí)間tBA如下所示：

圖1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理圖Fig.1 Ultrasonic flowmeter measuring principle diagram

超聲波傳輸時(shí)間差Δt 為

由于C?Vm，式（3）可簡(jiǎn)化為

式中：L 為超聲波在管道中傳播的聲程，mm；Vm為流體在管道中的流速，m/s；C 為超聲波在管道內(nèi)介質(zhì)中的聲速，m/s；D 為管道內(nèi)徑，mm。

2 影響時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量精度的影響因素

從時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理可知，影響其測(cè)量精度的主要有以下3 個(gè)方面原因：①機(jī)械方面，主要與管道的幾何參數(shù)有關(guān)；②電子方面，與測(cè)量的時(shí)間間隔有關(guān)；③物理性質(zhì)方面，與流體的物理性質(zhì)有關(guān)。

在這3 個(gè)因素中，第一個(gè)因素可以通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)管道的外直徑和壁厚解決，同時(shí)選擇合適的探頭安裝方式。第二個(gè)因素，時(shí)間間隔的準(zhǔn)確測(cè)量既與探頭之間的安裝是否準(zhǔn)確有關(guān)，還與超聲波流量計(jì)本身信號(hào)采集與處理的精度有關(guān)。市場(chǎng)上例如FLEXIM、SIEMENS、Fuji 等大品牌超聲波流量計(jì)生產(chǎn)廠家已經(jīng)取得技術(shù)性突破，使得超聲波流量計(jì)的測(cè)量精度可達(dá)到0.5 級(jí)。在實(shí)際測(cè)量中，往往忽視流體本身的物理性質(zhì)對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響。超聲波在流體中的傳播速度與流體的溫度和流體本身的物理性質(zhì)有關(guān)，便攜式超聲波流量計(jì)的基本參數(shù)設(shè)定中需要輸入介質(zhì)類型與溫度，系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)的設(shè)定調(diào)用超聲波在被測(cè)介質(zhì)中的聲速，假設(shè)上述2 個(gè)參數(shù)輸入存在偏差，勢(shì)必會(huì)造成測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值存在偏差。

由式（4）可以看出，在流速Vm、管道內(nèi)徑D 和角度φ 為常數(shù)的情況下，時(shí)間差Δt 與超聲波在管道中傳播速度C 的平方成反比關(guān)系，即Δt 的誤差將是聲速C 的誤差的兩倍。

3 超聲波在介質(zhì)中聲速的測(cè)量

測(cè)量超聲波介質(zhì)中的聲速有多種方法，如改變頻率發(fā)射法[2]、超聲光柵法[3]、共振干涉法[4]、相位法[4]和反射回波法[4]等。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，相位法在測(cè)量液體介質(zhì)時(shí)準(zhǔn)確度較高[5]。

測(cè)量聲速一般的方法是在給定聲音信號(hào)的頻率f 情況下，測(cè)量聲信號(hào)的波長(zhǎng)λ，聲速u 由式（5）計(jì)算得出：

相位法試驗(yàn)裝置示意圖如圖2 所示，它由壓電陶瓷換能器S1和S2、示波器、信號(hào)發(fā)生器和游標(biāo)卡尺組成。S1和S2固定在游標(biāo)卡尺上，它們之間移動(dòng)的距離由游標(biāo)卡尺讀出。在給定頻率f 的情況下，移動(dòng)換能器之間的距離，使得示波器上重復(fù)出現(xiàn)Lissajous 圖形，如圖3 所示。

圖2 相位法試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of phase method test device

圖3 Lissajous 圖形Fig.3 Lissajous graphics

當(dāng)相位差為2π 的整數(shù)倍時(shí)即λ 的整數(shù)倍時(shí)，圖形會(huì)重復(fù)出現(xiàn)同樣斜率的一條直線，這樣可根據(jù)式（5）計(jì)算聲速。

溫度為20℃時(shí)，超聲波在水中的理論傳播速度為1480 m/s，使用相位法測(cè)量超聲波聲速的結(jié)果如表1 所示。

4 結(jié)語(yǔ)

從上文的數(shù)據(jù)可以看出，使用相位法試驗(yàn)裝置可較為準(zhǔn)確地測(cè)量超聲波在介質(zhì)中的聲速。對(duì)于管道內(nèi)被測(cè)介質(zhì)的聲速未知或者管道內(nèi)介質(zhì)的溫度變化較大的情況下，可避免較大的測(cè)量誤差。