基于速度差法超聲波流量計的測量原理，分析了硬件延時對測量精度造成的誤差。提出可采用二次回波法和聲速法來提高測量精度，利用數(shù)學(xué)模型分析 2 種方法的可行性，最后通過實驗驗證這 2 種方法，實驗結(jié)果表明二次回波法和聲速法對提高了超聲波流量計測量精度的可行性和有效性。

0.引言

速度差法超聲波流量計是利用聲波在順流方向與逆流方向的傳播速度差來反映流體流速的精密流量計量儀表。其能夠?qū)崿F(xiàn)精確計量的關(guān)鍵在于精確測量聲波在順流方向與逆流方向的傳播時間。為提高超聲波流量計的測量精度，很多專家學(xué)者在各個領(lǐng)域進行了研究，并提出了一系列的改進方法，如峰值檢測法、雙門限測量法、雙閾值比較法、自適應(yīng)門限觸發(fā)法、信號質(zhì)量判斷機制等 這些方法提高了超聲波流量計的測量精度，也有一些學(xué)者通過數(shù)學(xué)分析及數(shù)字算法得到了提 高 超 聲 波 流 量 計 精 度 的 方法,但對于速度差法測量中的硬件延時問題尚沒有很好的解決方案。本文針對此問題，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的測量精度。

1.速度差法超聲波流量計測量原理

如圖 1 所示，速度差法超聲波流量計有相對放置的 2 個超聲波換能器 A，B，交替發(fā)出超聲波，超聲波發(fā)射點與接收點之間的距離為 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，是一個常數(shù)，tup 與 tdown 的測量精度直接影響超聲波流量計的測量精度。

2.硬件延時誤差分析

超聲波流量計的測量原理框圖如圖 2 所示，由CPU 控制發(fā)射驅(qū)動電路驅(qū)動發(fā)射換能器，同時控制CPLD 或?qū)Ｓ脮r間芯片等精密計時電路開始計時接收換能器接收到信號后，CPU 控制信號處理電路對信號進行處理，然后送入計時電路，計時電路計得的時間送入 CPU 進行運算。

由上述測量原理框圖可以看出，流量計通過計時電路測得的時間，不僅包括超聲波信號的傳播時間 tup

與 tdown ，還包括發(fā)射驅(qū)動電路的延時、發(fā)射換能器的轉(zhuǎn)換延時、接收換能器的轉(zhuǎn)換延時和信號處理電路的延時。若把發(fā)射驅(qū)動電路的延時、發(fā)射換能器的轉(zhuǎn)換延時定義為發(fā)射電路的延時，把接收換能器的轉(zhuǎn)換延時和信號處理電路的延時定義為接收電路的延時，計時電路測得時間可表示為

式中: tmup 為換能器 A 發(fā)射、換能器 B 接收時，計時電路計得的時間; tAf 為換能器 A 的發(fā)射延時; tBr 為換能器 B 的接收延時。

同理，可得:

式中: tmdown 為換能器 B 發(fā)射、換能器 A 接收時，計時電路計得的時間; tBf 為換能器 B 的發(fā)射延時; tAr 為換能器 A 的接收延時。

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

器的發(fā)射延時、接收延時不做處理，直接將計時電路得到的時間作為超聲波傳播時間來進行運算，將會引入很大的測量誤差，這在流量計進行小流量測量時很明顯。同時，由于不同換能器的發(fā)射延時、接收延時也不同，如果在零流量時代入計算公式，會造成零點誤差。

3.提高測量精確度的方法

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

3．1 二次回波法

如圖 3 所示，在換能器 A 發(fā)射超聲波時，換能器 B會接收到 2 個信號，一個是直接接收換能器 A 發(fā)射的超聲波信號，另一個是換能器 A 發(fā)射的超聲波由換能器 B，A 兩次反射后的信號，可通過計時電路分別計得換能器 A 發(fā)射、換能器 B 接收的信號到達(dá)時間，和換能器 A 發(fā)射、換能器 B 接收 2 次反射后的信號到達(dá)時間。

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

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

式中: tmdown0 為流體靜止時計時電路計得的逆程時間; tmdown02 為換能器 B 發(fā)射、換能器 A 接收 2 次反射后的信號到達(dá)時間。

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

3．2 聲速法

另一種測量方法是利用測量流體中的聲速，在流體靜止時計算出流量計的順、逆程硬件延時，并代入公式參與計算。

在流體靜止時，由式( 1) 、式( 4) 、式( 6) 可得順程

的硬件延時公式為

其中，管道口徑 D 與聲道夾角 ，在管體加工時已經(jīng)確定，可以通過實測測得。通過聲速測量儀表測得聲速參量 c，就可以計算出流量計的硬件延時，在測量過程中減去硬件延時，再由式( 5) ～ 式( 7) 計算，可得流體流速公式為

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

4.實驗驗證及分析

為了驗證上述 2 種方法的實際效果，在負(fù)壓音速噴嘴裝置上，如圖 4 所示，使用 DN100 口徑單聲道氣體超聲波流量計管體進行了實流測試。

測試過程分別采用了傳統(tǒng)理論方法、二次回波法和聲速法進行實驗，實驗數(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－流量圖線性較差、斜率較大，且在小流量時會產(chǎn)生較大誤差;二次回波法和聲速法獲得的精度－ 流量點圖線性良好、斜率較小，且在小流量時不會產(chǎn)生較大誤差; 二次回波法的精度－流量點圖線與聲速法的相比，斜率更小，且在同等流量時測量誤差更小。由此說明: 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測量的精度，可直接用于生產(chǎn)實踐; 且二次回波法比聲速法測量效果更好，其原因是聲速法需用其他設(shè)備精確測量聲速及聲道長度，在測量過程中引入了間接誤差。

5.結(jié)束語

本文針對速度差法超聲波流量計計時過程中引入的硬件延時誤差影響測量精度問題，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消除硬件延時誤差，進而提高測量精度，并通過實驗驗證了 2 種方法正確性和有效性。其中采用二次回波法更加精確，但測量過程較聲速法更加復(fù)雜。