基于傳播時間法的時差式超聲流量計設(shè)計

超聲流量計

　　超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲束或超聲脈沖的作用來測量流量的儀表。對封閉管道用超聲流量計來說，按其測量原理可分為傳播時間法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法等。

　　本文采用傳播時間法。超聲波在流體中傳播時，與聲波在靜止流體中傳播的速度相比，順流方向聲波傳播速度會增大，逆流方向則會減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間。利用傳播時間之差與被測流體流速之間的關(guān)系求得流速，稱為傳播時間差法。通過接收穿過流體的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)時差的表現(xiàn)形式不同，又可以分為時差法、相位差法和頻差法。時差式流量計工作模型如圖1所示。
 

　　圖1中，兩個換能器固定在輸液管道的同一側(cè)，聲波從換能器T1發(fā)出，經(jīng)過輸液管道另一側(cè)的內(nèi)壁，反射到接收換能器T2。兩個換能器也可以固定在輸液管道的上下兩側(cè)，聲波由換能器T1發(fā)出，直接傳播到換能器T2。發(fā)射和接收聲波的振子密封在換能器的腔體里，其輻射面與端面成一個角度θ1，腔體里用透聲材料填充。由于換能器中填充材料、管道材料、管道中流體材料的不同，它們的聲速也不同，因此聲波傳播到介面處會有折射。這里假設(shè)折射角為θ2、θ3。流量計在工作時，換能器T1、T2輪流做發(fā)射和接收。因為管中的液體是流動的，聲波由T1傳到T2(正程)和由T2傳到T1(逆程)的傳播時間是不同的。正程、逆程兩個傳播時間的差反映出液體的流速、流量。

　　以換能器T1為例。聲波由A到B再傳到C，在這一段傳播過程中，因為沒有流體參與，傳播時間是固定不變的。在這里，把聲波在換能器填料、管壁中傳播時間記為t延。在尋找正程與逆程之間的時間差時，不必考慮t延，只考慮在液體中傳播的正程、逆程的傳播時間差就可以了。

　　這里，設(shè)D為輸液導(dǎo)管內(nèi)徑;d為壁厚;V流為液體流動速度;V介為液體的聲速;θ3為折射角;t正為聲波由T1到T2的傳播時間;t逆為聲波由T2到T1的傳播時間。

　　用聲學(xué)模型可得如下公式：

　　由上述推導(dǎo)可以看出，只要得到t正和t逆，管道中的液體流速V就可以算出。時差法與頻差法和相位差法之間原理方程式的基本關(guān)系為：

　　式中：Δf為頻率差;Δφ為相位差;f正、f逆為超聲波在流體中順流和逆流的傳播頻率;f為超聲波的頻率。

　　從中可以看出，相位差法本質(zhì)上和時差法是相同的，而頻率與時間又互為倒數(shù)關(guān)系，三種方法沒有本質(zhì)的區(qū)別。

　　普通方法測量時間差所存在問題分析

　　從上述公式的推導(dǎo)中可以看出，要運用傳播時間測流量時，最關(guān)鍵的測量量就是順逆流傳播時間差，只有精確得到這個時間差，流量才能由其導(dǎo)出。

　　對于小口徑、低流速的情況，順逆流的時差非常短，典型最大流量對應(yīng)的時差僅約20ns，精確測量難度很大，需要極高的時鐘頻率。如果測量方法粗放，這個極小的時間量很可能被淹沒在測量的誤差中。因此，如何才能測量到這個時間量，并使其盡可能精確，就是本文要研究的環(huán)鳴法的關(guān)鍵所在。

　　環(huán)鳴法的設(shè)計確定

　　環(huán)鳴法的產(chǎn)生

　　為了解決時間差值太小的的問題，環(huán)鳴法利用了讓小的量不斷積累，使總體值增大，得到總量后再做平均的思想。環(huán)鳴法總方框圖如圖2所示。

　　該方法中，當(dāng)換能器T1發(fā)射聲信號，在換能器T2收到信號的時刻，令T1再次發(fā)射聲信號，而T2再次接收，這樣如此循環(huán)發(fā)射、接收N次。通過測量記錄下N次測量的總時間∑t正。然后，再令T2發(fā)射，T1接收，經(jīng)過N次如此循環(huán)就可得到逆向發(fā)射總時間∑t逆。這時讓順逆流兩個總的時間作差，可以得到總時間差∑Δt。∑Δt這個量比起單次測量時，它已經(jīng)擴大了2N倍。由測量帶來的誤差經(jīng)過了N次累加后，其均值則向零靠近，使得測量精度提高了倍。此時這個值就較容易測量，從而得到想要的流量數(shù)據(jù)。

　　環(huán)鳴法要解決的幾個重要問題

　　精確捕捉計時點

　　新測量方法用具有半個周期的正弦脈沖去激勵換能器。由于換能器是一個窄帶系統(tǒng)，在電脈沖的激勵下，發(fā)射和接收的聲信號都是較短的、有正弦填充的、具有鐘形包絡(luò)的脈沖信號，如圖3所示。本文選用沖擊信號作發(fā)射源，信號持續(xù)時間短，因此比較適合細管徑的輸液管道測量。

　　正弦函數(shù)在過零點處斜率最大。如果把回波的某個正弦周期的過零點檢測出來，回波時間的測量精度將極大提高。從總方框圖可知，過零點的檢測電路是由過零比較器、電平比較器、單穩(wěn)2電路和與門電路等組成。其波形和信號之間的邏輯關(guān)系在圖3中可以清楚地看到。

　　從圖3可以看出，得到這個計時點立刻觸發(fā)單穩(wěn)1電路以獲得發(fā)射同步信號。信號門

　　接收信號中并不是只有從T1到T2在液體中傳播的聲信號，還有T1到T2沿管壁傳播的聲信號。在獲得精確計時點時，較高的信號過電平比較器后送出的第一個脈沖對測量是不必要的。因此，在做數(shù)字信號處理的時候，只能把電平比較器送出的第一個脈沖放行，其他信號將被信號門過濾掉。不同管徑的輸液管道，聲信號的傳播時間是不同的。因此，信號門的位置也不同。本設(shè)計中采用了信號門計數(shù)器，用數(shù)據(jù)裝訂的辦法改變信號門的位置。從總框圖中可以看到，信號門電路是由可預(yù)置的同步計數(shù)器、RS觸發(fā)器等電路組成。由發(fā)射同步信號觸發(fā)RS觸發(fā)器置0，封鎖其后的脈沖，然后由計數(shù)器的進位脈沖在信號到來之前將RS觸發(fā)器置1，開門等待接收信號，如圖4所示。

　　計時電路

　　計時電路是由時間計數(shù)器、計次計數(shù)器、RS觸發(fā)器和與門等電路組成。發(fā)射同步信號是計時、計次的核心。如圖5所示，第一個發(fā)射同步信號是由計算機通過“計4”發(fā)出的，經(jīng)過或門觸發(fā)器單穩(wěn)1得到的發(fā)射同步信號觸發(fā)器RS觸發(fā)器，使其變?yōu)?狀態(tài)，打開與門，使時鐘通過，時間計數(shù)器計時開始。以后的發(fā)射都是由接收機收到的信號觸發(fā)，這時流量計進入“環(huán)鳴”狀態(tài)。每發(fā)射一次，計數(shù)器的數(shù)值都要加1。當(dāng)計數(shù)值達到N+1時(實際上只有N次測量)，計次計數(shù)器發(fā)出一個進位信號，使RS觸發(fā)器置于零狀態(tài)，封鎖與門，時間計數(shù)器停止計數(shù)。利用這個進位脈沖還把測得的時間存放到數(shù)據(jù)鎖存器中。

　　在RS觸發(fā)器零狀態(tài)期間，計算機要做以下工作：發(fā)“計1”信號，讀取“正程”計時數(shù)據(jù);發(fā)“計2”信號，讀取漏計時數(shù)據(jù);送收發(fā)轉(zhuǎn)換信號“計3”，使流量計從“正程”工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為“逆程”工作狀態(tài)。做完之后，計算機還要發(fā)“計4”信號把N值重新裝載到測次計數(shù)器中，使進位脈沖下跳歸零，同“正程”一樣，又進入“逆程”的“環(huán)鳴”測時過程。

　　在“環(huán)鳴”過程中，是不希望由于某種意外使“環(huán)鳴”中斷的。如果發(fā)生這種情況，儀器應(yīng)該能夠自動恢復(fù)到“環(huán)鳴”狀態(tài)中。否則，流量計將“死機”。這個恢復(fù)系統(tǒng)由漏收計數(shù)器、漏收計次器、單穩(wěn)1等電路組成。漏收計時器是一個可預(yù)置的同步計數(shù)器。計數(shù)器記到全1之后，將發(fā)出進位脈沖。計數(shù)器裝訂的數(shù)值應(yīng)大于“環(huán)鳴”周期，例如選在1.5倍。這個進位脈沖一路送到或門去觸發(fā)單穩(wěn)1，使丟失的發(fā)射同步信號重新出現(xiàn);另一路送到漏收計次器，記下對計時無用的漏計時間。在正常情況下，由于漏收計時器的計數(shù)長度比環(huán)鳴周期長，所以漏收計時器不會有進位脈沖輸出，只有在接收機沒有收到信號的情況下，才會有進位脈沖輸出。

　　結(jié)語

　　該套儀表進行了多次試驗，保證了潛艇航行中各項指令的正確執(zhí)行，設(shè)備先進可靠，安裝在潛艇上均衡注、排水量和移水量一目了然，其精度更高，抗干擾能力更強。