1 時差式超聲波流量計

 

    目前的工業流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，存在造價提高、能損加大、安裝不便等缺點。各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流。根據工作原理的不同，超聲波流量計分為多譜勒式超聲波流量計和時差式超聲波流量計兩種。多譜勒式超聲波流量計只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜質含量穩定的工廠過程液等。目前生產最多、應用范圍最廣泛的是時差式超聲波流量計。它主要用來測量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業用水領域得到廣泛應用。此外它也可以測量雜質含量不高（雜質含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體。

 

    2 時差式超聲波流量計的工作原理

 

    如果超聲波在靜水中的傳播速度為V，而當水的流速為V0時，超聲波順水傳播速度變快，V1=V0+Vcosθ；逆水傳播速度變慢，V2=V0-Vcosθ。如果在管徑為d的水管壁的A、B兩點放置兩個超聲波探頭，A、B探頭均能發射和接收超聲波，如圖1。這樣由A發射，B來接收，從發射到接收的時間為t1；由B發射，A來接收，從發射到接收的時間為t2。由于順水和逆水發射與接收的距離相等，這樣：

 

 

 

圖1 時差式超聲波流量計工作原理

 

    

 

    得到水流速：

 

    

 

    所以管中的水流量為：

 

    

 

    其中t為測量時間。流量的精度在原理中可以看到，水流速V的精度是流量精度的關鍵，而V的精度又是以t1、t2的測量精度為基礎的，t1、t2的測量一般用MCS-51單片機來實現。MCS-51單片機內有兩個定時器T1、T2，可以用來計時。計時脈沖周期為T，如圖2（如果晶振是12MHz，T為一個機器周期，也就是1μs）。

 

    所以：

 

    

 

 

 

圖2 單片機計時原理

 

    發射超聲波和計時的開始是由單片機控制的，但接收到超聲波時一般并不正好是整數個計時脈沖，這樣t1（t2）的最大誤差為T，T為μs數量級時間，這樣V的誤差會很小，但是（t1-t2）一般也為μs級，尤其在水流速V比較小時，t1-t2很小，誤差T就顯得很大。這就造成流量精度不是很高。當然我們可以用提高單片機晶振或者換高級的單片機的方法來減小T。但提高單片機晶振是有一定限度的，能不能在不提高晶振的前提下提高t1（t2）的精度呢？

 

    3 時差式超聲波流量計精度的提高

 

    我們可以用一個同樣精度的壓控振蕩器來代替原來的固定晶振，這樣就可以通過電壓控制晶振的頻率。我們對晶振的頻率微調，也就是T可以微調，使計時時間t1（t2）正好是T的整數倍（如圖3），這樣就幾乎沒有誤差了。

 

 

 

圖3　可變晶振單片機計時原理

 

    當然晶振的頻率微調是要靠電壓的連續調整進行的，這在實際的測量中不可能實現。實際晶振的頻率只能步進式地進行m次（比如6次）微調，即以不同的計時脈沖T進行m次測量。但這樣計時時間t1（t2）就不一定正好是T的整數倍，同時我們可以知道m次測量中最小的一個t1（t2）是誤差最小。進行m次測量大大增加了測量周期，但卻大大提高了測量的精度。如圖4。

 

 

圖4 測量t1（t2）程序流程    

 

    4 結語

 

    時差式超聲波流量計具有原理清楚、結構簡單、工作可靠、運行穩定、重復性精度高、耐磨損、免維護、無附加阻力損失、運行費用低等特點，屬于節能型流量測量裝置。傳感器可直接安裝，從根本上解決了跑冒滴漏的問題。時差式超聲波流量計對直管段相對要求不嚴格，對介質、環境、管徑、流速的適應范圍廣。時差式超聲波流量計越來越得到業內人士的認可，使用范圍越來越廣，其前景不可限量。我們愿意為進一步改善、發展、推廣這種頗有前途的流量測量裝置而貢獻一份力量。經過上述方法的改進，時差式超聲波流量計的精度得到提高，其前景會更加光明。這種計時方法也可用在其他測量變化不快的實時計時上。