Page 102 - 《应用声学》2021年第2期

270 2021 年 3 月

结合时差法流量计的工作原理，瞬时体积流量
0 引言
计算公式推导如下：
随着各领域的技术革新，能源计量、环境保护、 顺流时间t s 公式为
交通运输等应用领域对流量测量需求的牵引，使得 t s = L/(c + v sin θ), (1)
流量计的使用量迅速增长。使用传统流量计对工业
式 (1) 中，L 为探头垂直距离，v 为流体流速，θ 为声
流体流量进行测量时，受管道和流量计自身工作要
道角，c为流体中超声波速。
求的限制，存在着制造运输困难、造价过高以及调试
逆流时间t n 公式为
安装不便等缺点。而超声波流量计可以通过非接触
式测量方法即在管道外壁安装，不会带来管道堵塞 t n = L/(c − v sin θ). (2)
和能量损耗等问题，且相较于传统流量计性价比较
联立式(1)、式(2)及L=D/cos θ，得到公式(3)：
高。其中，又以时差式超声波流量计最具发展潜力。
D ( 1 1 )
超声波流量计的测量精度涉及领域广，较为复杂。 v = − . (3)
2 sin θ cos θ t s t n
其中，顺流和逆流的时间差直接决定了时差式超声
对管道中流体流速进行分布补偿后，得到瞬时
波流量计系统的测量精确度。因此准确地计算出时
体积流量q Q 计算公式为
间差是整个测量系统需要处理的关键问题 [1−2] 。
2
q Q = vπD /(4K), (4)
1 时差法测量原理
其中，K 为线流速转化为面流速的补偿系数。
超声波流量计的两个换能器以固定角度安装 由计算公式可知，测量顺逆流时的绝对传播时
在管道两侧，通过系统控制换能器切换发射和接收 间就成为提高流量计精度的直接因素。
工作状态，测量超声波在管道内顺逆流下的传播时
间，再由公式计算得出流量值。其工作原理如图1所 2 信号处理方法探究
示 [3−4] 。
2.1 过零检测
૱ᑟ٨B
根据超声波换能器的工作原理，接收信号的频
L θ 率大小等于换能器固有频率且固定不变，即过零点
D
ඵืவՔ 的位置由介质声速、流速所导致的信号传播时间决
定，而不随波形形状变化，为过零检测信号提供了条
件。为了排除换能器起振和介质性质的影响因素，
૱ᑟ٨A
图 1 超声波流量计工作原理 通过参考电平芯片和比较器芯片设计了阈值电压
Fig. 1 Working principle of ultrasonic flowmeter 电路和锁存电路，获取超声波传播时间。

NOR
ࠀ௑ጼൣηՂ

1 16
OA OB
2 15 AND NOT
OA OB
3 14
GND GND GND
4 13
LEA LEB
5 12 ܭͯ
N.C. N.C.
6 11 NOR
-5 V V- V+ +5 V
ԠᏦηՂ 7 10
INA- INB-
8 9
INA+ INB+
ଌஆηՂ
GND
图 2 过零检测设计电路
Fig. 2 Zero-crossing detection design circuit