[導(dǎo)讀] 氣體超聲波流量計(jì)在信號(hào)、硬件電路、流場等因素的問題，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的計(jì)量精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性等基本指標(biāo)，制約了產(chǎn)品化的發(fā)展。分別從上述三方面深入研究了超聲波流量計(jì)影響因素，并提出一些針對(duì)性的解決方法，對(duì)今后深入研究超聲波流量，提高流量計(jì)的適應(yīng)性和精度具有實(shí)際作用。
超聲波氣體流量檢測(cè)技術(shù)是近年來流量檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)亮點(diǎn)，從目前在中、大口徑管道氣體流量計(jì)量中的應(yīng)用情況來看，超聲波流量計(jì)在計(jì)量精度、可靠性、壓力損失、維護(hù)費(fèi)用以及制造成本等方面相比其他計(jì)量器具都有自己獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，特別是在天然氣輸送領(lǐng)域，超聲波流量計(jì)已有成為最佳選擇的趨勢(shì)[1]。
氣體的超聲流量測(cè)量存在傳播衰減大、信號(hào)不穩(wěn)定、信噪比提高受制約、聲透射率不穩(wěn)定、聲學(xué)噪聲干擾和氣體流場不穩(wěn)定等嚴(yán)重問題，液體超聲波流量計(jì)中已經(jīng)成熟的信號(hào)處理方式根本不適于氣體測(cè)量領(lǐng)域。由于以上問題的存在，嚴(yán)重制約了產(chǎn)品的計(jì)量精度、穩(wěn)定性、重復(fù)性等基本指標(biāo)，制約了產(chǎn)品化的發(fā)展[2]。
1 信號(hào)因素分析
1.1 超聲波的衰減特性
超聲波在非理想的媒介中傳播時(shí)，會(huì)出現(xiàn)聲波隨著距離增加而逐漸衰減的物理現(xiàn)象，產(chǎn)生了將聲波轉(zhuǎn)換為熱耗散過程，這就稱為媒質(zhì)中的聲衰減，或叫做聲吸收。
引起媒質(zhì)對(duì)聲波吸收的原因很多，主要有粘滯吸收和熱傳導(dǎo)。根據(jù)聲吸收的通用公式[3]：
（1）
式中：α為聲衰減系數(shù)；αx為聲的熱傳導(dǎo)系數(shù)，，f為超聲波發(fā)射頻率，ρ0為傳播媒介密度，c為聲波傳播速度，x為熱傳導(dǎo)系數(shù)，cV為比定容熱容，cp為比定壓熱容；αn1為聲的粘滯吸收系數(shù)，η1為切變粘滯系數(shù)；αR為聲的容變吸收系數(shù)，η2為容變粘滯系數(shù)。將αR，αn1和αx的表達(dá)式代入式（1）可得
（2）
在常溫常壓下，空氣的容變粘滯系數(shù)為：空氣的密度為ρ0=1.21kg•m-3，聲波在空氣中的速度為：c=344m•s-1。將η2，ρ0，c代入AR計(jì)算式可得：AR=1.624´10-10s2•m-1。查表得[4]：在常溫常壓下，空氣的。本系統(tǒng)采用f=200kHz.將Aη1，Ax，AR，f代入式（2）可得：=7.04。
超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于聲波的擴(kuò)散、散射和吸收，其衰減特性滿足下式：
（3）
式中：P（x）為傳輸距離x處的振幅；x為接收探頭到發(fā)射探頭的距離；P0為聲壓初始振幅（x=0）。
1.2 超聲波衰減驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)
從圖1可知，本系統(tǒng)采用200kHz的超聲波發(fā)生器，信號(hào)經(jīng)過放大和濾波環(huán)節(jié)后，用示波器觀察信號(hào)的電壓峰值。
由圖2可以看到當(dāng)探頭距離小于30cm時(shí)，理論曲線和實(shí)際曲線接近重合，當(dāng)距離大于30cm以后，實(shí)際信號(hào)曲線的斜率比理論斜率小，存在的原因是采集電路上存在固定的周期性的噪聲干擾，當(dāng)探頭距離逐漸變大時(shí)，接受電路的信噪比降低，如圖3為收發(fā)探頭相距35cm處信號(hào)采樣，可見此處的信噪比為10：1。
圖1 超聲波衰減實(shí)驗(yàn)框圖
圖2 超聲波信號(hào)衰減圖
圖3 35cm處實(shí)驗(yàn)信號(hào)和噪聲圖
1.3 超聲波探頭的選擇
超聲波傳感器又稱為超聲波換能器或超聲波探頭，在系統(tǒng)中它完成了高頻聲能與電能之間相互轉(zhuǎn)化.按能量轉(zhuǎn)換原理，超聲波換能器可分為磁性換能器和電性換能器。本課題采用的超聲波傳感器是電性換能器，屬于壓電式[5]。
頻率選擇，首先要考慮在最大傳播距離內(nèi)，接收器能接收到足夠聲壓與強(qiáng)度的超聲波信號(hào)。其次還要考慮超聲波振動(dòng)因機(jī)械效應(yīng)、熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、生物效應(yīng)等對(duì)周圍環(huán)境的影響。從這兩個(gè)方面來說，由式（2）可知，超聲波的衰減系數(shù)與超聲波頻率的平方成正比，空氣中超聲波頻率越小越好，但是考慮到氣體流量檢測(cè)精度，超聲頻率越大越好，而太大的超聲頻率又將造成過大的信號(hào)能量衰減。將二者折衷考慮，氣體超聲波流量計(jì)的超聲波傳感器的振蕩頻率選擇在100~200kHz的范圍內(nèi)為最佳。本系統(tǒng)選用200kHz的收發(fā)一體的探頭[6]。
2 硬件因素分析
2.1 計(jì)時(shí)模塊因素
時(shí)差法超聲波流量計(jì)的計(jì)量精度主要在于超聲波順逆流的時(shí)間的計(jì)時(shí)精度，本系統(tǒng)綜合得出的氣體流速計(jì)算式為
（4）
式中：t1為順流超聲波渡越的時(shí)間；t2為逆流超聲波渡越時(shí)間；L=20cm，L為超聲波發(fā)射和接收探頭之間的渡越距離；θ=30°。根據(jù)式（4）計(jì)算得出：1μs的計(jì)時(shí)差就會(huì)產(chǎn)生25cm•s-1的速度差，如果采用分辨率更高的專用計(jì)數(shù)模塊可以提高流速測(cè)量的分辨率，但是成本也會(huì)大幅度地提高。
信號(hào)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)方式也會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生巨大的影響，由于超聲波聲強(qiáng)波形大小會(huì)在外界情況的變化下發(fā)生變化，采用普通門檻式檢測(cè)方式會(huì)產(chǎn)生Δt的誤差。
2.2 計(jì)時(shí)模塊的改進(jìn)設(shè)計(jì)
采用高速高精度的計(jì)數(shù)硬件方法，可以提高超聲波流量計(jì)的精度，本系統(tǒng)采用50MHz時(shí)鐘的FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）芯片，內(nèi)部帶有鎖相環(huán)（PLL）電路，可以將系統(tǒng)頻率提高到100MHz。既能實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)數(shù)，計(jì)時(shí)分辨率為10ns，速度分辨率為2.5mm•s-1；同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制，從總體上降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。
采用零點(diǎn)檢測(cè)電路，將信號(hào)的計(jì)時(shí)截至?xí)r間定位圖4中畫圈處，用示波器觀察的結(jié)果，如圖5所示。
圖4 超聲波檢波波形圖
圖5 超聲波過零檢波波形圖
觀察圖5，可見該電路設(shè)計(jì)能夠消除因?yàn)樾盘?hào)不穩(wěn)定而造成的誤差Δt，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的過零檢測(cè)。
3 流場因素
3.1 流速因素
當(dāng)流體流速比較小的時(shí)候，在工程上可以近似認(rèn)為超聲波射線是沿直線傳播的.但是對(duì)于高速氣體流量而言，這種差別是不能忽視的.假設(shè)管道直徑為50mm，聲速和管壁的夾角為45°，聲速為340m•s-1，在流速為15，20，30m•s-1時(shí)，對(duì)應(yīng)聲束偏移為6.24，8.32，12.50mm，這樣大的偏移距離已經(jīng)和探頭的半徑相當(dāng)，收到的信號(hào)幅值被嚴(yán)重削弱。如圖6所示，當(dāng)流體速度增加時(shí)，超聲波的有效接受面積變小了，使接受信號(hào)強(qiáng)度變小。
3.2 彎管對(duì)流場的影響
上述所提及的充分發(fā)展的層流和紊流數(shù)學(xué)模型，實(shí)際情況往往不能和理想的數(shù)學(xué)模型相吻合。氣體需經(jīng)過相當(dāng)長的直管段才能得到充分發(fā)展.全美氣體聯(lián)合會(huì)（AGA）發(fā)表的標(biāo)準(zhǔn)《AGA-9》建議在流量計(jì)的上游保留10倍管徑的直管，下游保留5倍管徑的直管。但即使如此，由于彎管所造成的流場分布不均勻，有報(bào)告指出可以傳遞到彎管后部22倍管徑處[7]。
彎管引起的二次流動(dòng)，其產(chǎn)生原因是彎管內(nèi)外側(cè)曲率不同。當(dāng)內(nèi)部流體微團(tuán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于離心力的不同，在管道截面上產(chǎn)生一個(gè)力場，從而推動(dòng)流體微團(tuán)產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)。流動(dòng)速度越快，管道彎曲半徑越小，在管道內(nèi)部的二次流強(qiáng)度越大，只有當(dāng)流體由于內(nèi)摩擦，并且失去了借以維持二次流的動(dòng)力來源，其強(qiáng)度才會(huì)逐漸衰減。
圖7為理想的軸對(duì)稱紊流和非對(duì)稱紊流的流速分布圖。由于流速分布的不對(duì)稱，不能完全按照原理論數(shù)學(xué)模型進(jìn)行流量的計(jì)算。實(shí)際上流量修正系數(shù)需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行確定。
圖6 信號(hào)路徑受流速影響示意圖
圖7 理想與實(shí)際流速分布示意圖
3.3 流場的適應(yīng)性設(shè)計(jì)
流量測(cè)量管道模型見圖8，圖中γ為超聲波探頭連線在管道橫截面上的投影與管道橫截面y軸方向的夾角，L為超聲波探頭連線中心到彎管出口的距離，D為管道直徑。
通過應(yīng)用流體仿真軟件FLUENT的仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在流場保持不變的情況下，由于彎管的影響導(dǎo)致管道內(nèi)的流速x軸方向上的分布和y軸方向上的分布是完全不一樣，而且隨著下游距離的變化，各截面流場的分布也是不一樣的。在仿真的基礎(chǔ)上，針對(duì)本管道特征，在理論上采用γ=90°，L=9.2D和γ=70°，L=8.5D都能以較小的流量誤差來測(cè)量流道的真實(shí)流量值。實(shí)際安裝過程中可以根據(jù)不同的安全要求選擇合適的γ和L的組合。
圖8 流量測(cè)量管道模型
4 結(jié)語
通過分析以上各點(diǎn)的影響因素，可見超聲波流量計(jì)需要在信號(hào)處理、硬件改進(jìn)、提高安裝精度、系統(tǒng)流場分析等方面進(jìn)行更深入的研究，以提高氣體超生波流量計(jì)的適應(yīng)性和測(cè)量精度。本文主要在一次儀表上進(jìn)行影響因素的分析，并提出了一些可實(shí)現(xiàn)的處理方法，但在實(shí)際設(shè)計(jì)中二次儀表的設(shè)計(jì)仍然存在很多的不穩(wěn)定因素，因此還需要進(jìn)行更多的研究，以提高氣體超聲波流量計(jì)的應(yīng)用性。