[導讀] 氣體超聲波流量計在信號、硬件電路、流場等因素的問題，嚴重制約了產品的計量精度、穩定性、重復性等基本指標，制約了產品化的發展。分別從上述三方面深入研究了超聲波流量計影響因素，并提出一些針對性的解決方法，對今后深入研究超聲波流量，提高流量計的適應性和精度具有實際作用。
超聲波氣體流量檢測技術是近年來流量檢測領域的一個亮點，從目前在中、大口徑管道氣體流量計量中的應用情況來看，超聲波流量計在計量精度、可靠性、壓力損失、維護費用以及制造成本等方面相比其他計量器具都有自己獨到的優勢，特別是在天然氣輸送領域，超聲波流量計已有成為最佳選擇的趨勢[1]。
氣體的超聲流量測量存在傳播衰減大、信號不穩定、信噪比提高受制約、聲透射率不穩定、聲學噪聲干擾和氣體流場不穩定等嚴重問題，液體超聲波流量計中已經成熟的信號處理方式根本不適于氣體測量領域。由于以上問題的存在，嚴重制約了產品的計量精度、穩定性、重復性等基本指標，制約了產品化的發展[2]。
1 信號因素分析
1.1 超聲波的衰減特性
超聲波在非理想的媒介中傳播時，會出現聲波隨著距離增加而逐漸衰減的物理現象，產生了將聲波轉換為熱耗散過程，這就稱為媒質中的聲衰減，或叫做聲吸收。
引起媒質對聲波吸收的原因很多，主要有粘滯吸收和熱傳導。根據聲吸收的通用公式[3]：
（1）
式中：α為聲衰減系數；αx為聲的熱傳導系數，，f為超聲波發射頻率，ρ0為傳播媒介密度，c為聲波傳播速度，x為熱傳導系數，cV為比定容熱容，cp為比定壓熱容；αn1為聲的粘滯吸收系數，η1為切變粘滯系數；αR為聲的容變吸收系數，η2為容變粘滯系數。將αR，αn1和αx的表達式代入式（1）可得
（2）
在常溫常壓下，空氣的容變粘滯系數為：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。本系統采用f=200kHz.將Aη1，Ax，AR，f代入式（2）可得：=7.04。
超聲波在介質中傳播時，由于聲波的擴散、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為接收探頭到發射探頭的距離；P0為聲壓初始振幅（x=0）。
1.2 超聲波衰減驗證實驗
從圖1可知，本系統采用200kHz的超聲波發生器，信號經過放大和濾波環節后，用示波器觀察信號的電壓峰值。
由圖2可以看到當探頭距離小于30cm時，理論曲線和實際曲線接近重合，當距離大于30cm以后，實際信號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，當探頭距離逐漸變大時，接受電路的信噪比降低，如圖3為收發探頭相距35cm處信號采樣，可見此處的信噪比為10：1。
圖1 超聲波衰減實驗框圖
圖2 超聲波信號衰減圖
圖3 35cm處實驗信號和噪聲圖
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，在系統中它完成了高頻聲能與電能之間相互轉化.按能量轉換原理，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，接收器能接收到足夠聲壓與強度的超聲波信號。其次還要考慮超聲波振動因機械效應、熱效應、化學效應、生物效應等對周圍環境的影響。從這兩個方面來說，由式（2）可知，超聲波的衰減系數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能量衰減。將二者折衷考慮，氣體超聲波流量計的超聲波傳感器的振蕩頻率選擇在100~200kHz的范圍內為最佳。本系統選用200kHz的收發一體的探頭[6]。
2 硬件因素分析
2.1 計時模塊因素
時差法超聲波流量計的計量精度主要在于超聲波順逆流的時間的計時精度，本系統綜合得出的氣體流速計算式為
（4）
式中：t1為順流超聲波渡越的時間；t2為逆流超聲波渡越時間；L=20cm，L為超聲波發射和接收探頭之間的渡越距離；θ=30°。根據式（4）計算得出：1μs的計時差就會產生25cm•s-1的速度差，如果采用分辨率更高的專用計數模塊可以提高流速測量的分辨率，但是成本也會大幅度地提高。
信號檢測電路的設計方式也會對測量精度產生巨大的影響，由于超聲波聲強波形大小會在外界情況的變化下發生變化，采用普通門檻式檢測方式會產生Δt的誤差。
2.2 計時模塊的改進設計
采用高速高精度的計數硬件方法，可以提高超聲波流量計的精度，本系統采用50MHz時鐘的FPGA（現場可編程邏輯門陣列）芯片，內部帶有鎖相環（PLL）電路，可以將系統頻率提高到100MHz。既能實現高精度的計數，計時分辨率為10ns，速度分辨率為2.5mm•s-1；同時也能實現系統后續的數據處理和系統控制，從總體上降低系統的設計成本。
采用零點檢測電路，將信號的計時截至時間定位圖4中畫圈處，用示波器觀察的結果，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，可見該電路設計能夠消除因為信號不穩定而造成的誤差Δt，實現信號的過零檢測。
3 流場因素
3.1 流速因素
當流體流速比較小的時候，在工程上可以近似認為超聲波射線是沿直線傳播的.但是對于高速氣體流量而言，這種差別是不能忽視的.假設管道直徑為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，對應聲束偏移為6.24，8.32，12.50mm，這樣大的偏移距離已經和探頭的半徑相當，收到的信號幅值被嚴重削弱。如圖6所示，當流體速度增加時，超聲波的有效接受面積變小了，使接受信號強度變小。
3.2 彎管對流場的影響
上述所提及的充分發展的層流和紊流數學模型，實際情況往往不能和理想的數學模型相吻合。氣體需經過相當長的直管段才能得到充分發展.全美氣體聯合會（AGA）發表的標準《AGA-9》建議在流量計的上游保留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，其產生原因是彎管內外側曲率不同。當內部流體微團運動時，由于離心力的不同，在管道截面上產生一個力場，從而推動流體微團產生徑向運動。流動速度越快，管道彎曲半徑越小，在管道內部的二次流強度越大，只有當流體由于內摩擦，并且失去了借以維持二次流的動力來源，其強度才會逐漸衰減。
圖7為理想的軸對稱紊流和非對稱紊流的流速分布圖。由于流速分布的不對稱，不能完全按照原理論數學模型進行流量的計算。實際上流量修正系數需要通過實驗進行確定。
圖6 信號路徑受流速影響示意圖
圖7 理想與實際流速分布示意圖
3.3 流場的適應性設計
流量測量管道模型見圖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。
通過應用流體仿真軟件FLUENT的仿真結果，可以發現在流場保持不變的情況下，由于彎管的影響導致管道內的流速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。在仿真的基礎上，針對本管道特征，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量流道的真實流量值。實際安裝過程中可以根據不同的安全要求選擇合適的γ和L的組合。
圖8 流量測量管道模型
4 結語
通過分析以上各點的影響因素，可見超聲波流量計需要在信號處理、硬件改進、提高安裝精度、系統流場分析等方面進行更深入的研究，以提高氣體超生波流量計的適應性和測量精度。本文主要在一次儀表上進行影響因素的分析，并提出了一些可實現的處理方法，但在實際設計中二次儀表的設計仍然存在很多的不穩定因素，因此還需要進行更多的研究，以提高氣體超聲波流量計的應用性。