西森自動化:頻差法超聲波流量計

馬克森流量計是典型的頻差法超聲波流量計。液體測量基本誤差為±0.5%?±5%,重復性為0.1% ?0.3%；氣體測量基本誤差為±0.5%?±3%,重復性為0.2%?0.4%，高精度儀表均為多聲道儀表。管道外夾裝換能器或在現場管道固定安裝換能器的儀表精度，要通過標定計算接入現場管道流通面積和傳播距離長度測量誤差，夾裝在管道的不確定性，聲耦合變化等因素，要降低些。若安裝調試不細致，測量精度有可能會低到5%，甚至更低。測量精度還取決于聲道數設置及布置位置。

馬克森流量計是典型的頻差法超聲波流量計。由頻差法順流、逆流循環脈沖頻率差公式△f=2v/L和流速公式v=L△f/2可知，當兩個超聲波換能器安裝位置固定以后，測出頻率差就可得到流速，并且此法與聲速無關。

當超聲波脈沖從發射換能器1(發射換能器2)發出，經順流方向發射超聲波的傳播時間t1(逆流方向發射超聲波的傳播時間 t2)后，被接收換能器1(接收換能器2)接收。接收到的信號經放大后又觸發發射換能器1(發射換能器2)，使發射換能器1(發射換能器2)發出另一脈沖。這樣脈沖由發射換能器、管壁、流體、接收換能器、放大器再回到發射器，如此循環，形成脈沖循環的兩組方式。這種方式的超聲波流量計精度在2級以內，測量范圍是最小流量的20倍。

由于馬克森流量計中兩組循環頻率相互干擾較大，工作不穩定，一般采用一組（鳴環）循環頻率方式，如圖所示，也叫單聲道超聲波流量計，它是通過收發轉換系統在一定時間間隔內使一對換能器交替逆轉作為接收器和發射器使用。分別把對應的順流和逆流循環頻率用計數器計數，從而獲得頻率差△f。頻率差 △f很小，直接測量時誤差會較大，所以必須采用倍頻技術。由于換能器（生產廠家稱其為探頭）安裝在管道外壁，不直接接觸流體，這樣就要求一對換能器的安裝角度和間隔距離一定要得當。

對換能器安裝方法的選擇原則一般是：當流體沿管軸平行流動時，選用Z法（透過法）；當流動方向與管軸不平行或管路安裝地點使換能器安裝間隔受到限制時，采用V法（發射法）或X法(交叉法）。當流場分布不均勻而表前直管段又短時，也可采用多聲道（如雙聲道或四聲道）來克服流速擾動帶來的流量測量誤差。

換能器中的壓電晶體元件把電信號轉換成超聲波輻射出去，它經過聲楔穿過管壁再射入流體。為提高測量精度，要求超聲波能量越大，傳播時間越長越好。這樣就要選擇透射系數接近1的材料制造聲楔，而且要選擇合適的形狀使超聲波進入流體的入射角Q3盡量大，以使聲程L3長些。為了防止波的干擾，建立穩定的循環，聲楔安裝角應使發出的超聲波射在管壁上時，只激發橫波，縱波則全反射。這是因為超聲波在水中的透過率橫波比縱波高，而且橫波向水中的折射角也可以取得大些，這樣利于提高儀表的穩定性和測量精度。

超聲波在管道內的聲程L3越長，測量精度越高；聲楔從方便機械加工考慮取Q1≈45°；采用頻差法超聲波流量計測量大管徑流量的精度優于小管徑。

為了使接收換能器獲得最強的聲信號，以提高測量精度，就要準確選擇兩個聲楔間的距離。該距離的最佳長度等于超聲波在管壁內及流體中的聲程在管道軸線上的投影之和，稱為軸向距離h，如圖所示。

管壁內聲程在軸線上的投影h2由管壁厚度δ及超聲波進入管壁的入射角Q2決定，即h2=δtanQ2；

超聲波在流體中的聲程在管道軸線上的投影h3，取決于管道內徑D及超聲波進入流體中的入射角Q3，即h3=DtanQ3。

兩個換能器安裝距離為：

h=2h2+h3=2δtanQ2+ DtanQ3

確定倍頻M值時，要考慮滿足測量精度的要求，也有考慮儀器的計數器容量及倍頻系統中分頻電路的可取性。

倍頻數M的選擇應滿足：?

1/（0.01τ△f?。?/span><M<2^n/（τ△f大）

式中△f小——以最低流速計算出的頻率差（Hz）；

τ——對順循（或逆循）的取樣時間（s）；

△f大——最高流速相應的頻率差（Hz）；

2^n——采用二進制雙穩電路計數器可逆容量為2^n個脈沖；n為計數器雙穩電路的數目。

實際上，M值的選擇首先由流量下限和測量精度決定，在滿足該要求后再考慮最接近的計數器容量，最后確定M，以便電路得到充分利用。

超聲波流量計直接顯示的是通過管道的流量，一般用kg或t表示。頻差法超聲波流量計可逆計數器算出的是脈沖數M△f，還需換算，這就引出了以脈沖數/kg (t)的儀表常數K：

K=M△fτ/（qtT）

式中qt——時間T內平均瞬時流量，（kg/s或t/s)；

T——取數周期（s），對頻差法超聲波流量計每隔時間T取出一組頻差數；

M——倍頻數；

τ——對順、逆循環脈沖的取樣時間（s)；

M△f——每隔時間T取出的一組頻差數。

頻差法超聲波流量計的測量電路主要由電源、控制系統、循環系統、倍頻系統、瞬時流量顯示系統、累積流量顯示系統組成。

控制系統由石英體制成的振蕩器、分頻電路和門電路等組成，以固定的時間順序給各部分提供控制脈沖，使儀表各部分協調工作。

循環系統由聲學系統即發射換能器-管壁-流體-管壁-接收換能器以及發射、接收、放大、整形、收發、轉換電路組成。一般測量大管徑的流體流量，發射超聲波的頻率取低些，小管徑則取髙些。壓電晶片固有振蕩頻率為發射頻率，常用0.4MHz或 1.0MHz。放大電路是一個寬頻放大器，增益不太高，但必須穩定可靠。

倍頻電路是為了提高儀表的測量精度，減少信號檢測時間而設置的電路。倍頻系數M的穩定性直接影響整機的測量精度，為保證M的穩定性，必須采用倍頻電路。

瞬時流量顯示系統由倍頻系統輸出倍頻后的頻率Mf+及Mf- 通過門電路送入可逆計數器進行差值運算，求出頻差M△f。再經數模轉換電路轉換成標準電壓或電流，供流量瞬時值顯示或信號遠傳。

累計流量顯示系統是把瞬時流量相應的電壓或電流值，經電壓或電流一頻率轉換電路轉換為相應的頻率，并將此頻率除以儀表參數，所得的頻率進行累加得出累計流W，并以數字顯示。