西森自动化:频差法超声波流量计

马克森流量计是典型的频差法超声波流量计。液体测量基本误差为±0.5%〜±5%,重复性为0.1% 〜0.3%；气体测量基本误差为±0.5%〜±3%,重复性为0.2%〜0.4%，高精度仪表均为多声道仪表。管道外夹装换能器或在现场管道固定安装换能器的仪表精度，要通过标定计算接入现场管道流通面积和传播距离长度测量误差，夹装在管道的不确定性，声耦合变化等因素，要降低些。若安装调试不细致，测量精度有可能会低到5%，甚至更低。测量精度还取决于声道数设置及布置位置。

马克森流量计是典型的频差法超声波流量计。由频差法顺流、逆流循环脉冲频率差公式△f=2v/L和流速公式v=L△f/2可知，当两个超声波换能器安装位置固定以后，测出频率差就可得到流速，并且此法与声速无关。

当超声波脉冲从发射换能器1(发射换能器2)发出，经顺流方向发射超声波的传播时间t1(逆流方向发射超声波的传播时间 t2)后，被接收换能器1(接收换能器2)接收。接收到的信号经放大后又触发发射换能器1(发射换能器2)，使发射换能器1(发射换能器2)发出另一脉冲。这样脉冲由发射换能器、管壁、流体、接收换能器、放大器再回到发射器，如此循环，形成脉冲循环的两组方式。这种方式的超声波流量计精度在2级以内，测量范围是最小流量的20倍。

由于马克森流量计中两组循环频率相互干扰较大，工作不稳定，一般采用一组（鸣环）循环频率方式，如图所示，也叫单声道超声波流量计，它是通过收发转换系统在一定时间间隔内使一对换能器交替逆转作为接收器和发射器使用。分别把对应的顺流和逆流循环频率用计数器计数，从而获得频率差△f。频率差 △f很小，直接测量时误差会较大，所以必须采用倍频技术。由于换能器（生产厂家称其为探头）安装在管道外壁，不直接接触流体，这样就要求一对换能器的安装角度和间隔距离一定要得当。

对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法（透过法）；当流动方向与管轴不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法（发射法）或X法(交叉法）。当流场分布不均匀而表前直管段又短时，也可采用多声道（如双声道或四声道）来克服流速扰动带来的流量测量误差。

换能器中的压电晶体元件把电信号转换成超声波辐射出去，它经过声楔穿过管壁再射入流体。为提高测量精度，要求超声波能量越大，传播时间越长越好。这样就要选择透射系数接近1的材料制造声楔，而且要选择合适的形状使超声波进入流体的入射角Q3尽量大，以使声程L3长些。为了防止波的干扰，建立稳定的循环，声楔安装角应使发出的超声波射在管壁上时，只激发横波，纵波则全反射。这是因为超声波在水中的透过率横波比纵波高，而且横波向水中的折射角也可以取得大些，这样利于提高仪表的稳定性和测量精度。

超声波在管道内的声程L3越长，测量精度越高；声楔从方便机械加工考虑取Q1≈45°；采用频差法超声波流量计测量大管径流量的精度优于小管径。

为了使接收换能器获得最强的声信号，以提高测量精度，就要准确选择两个声楔间的距离。该距离的最佳长度等于超声波在管壁内及流体中的声程在管道轴线上的投影之和，称为轴向距离h，如图所示。

管壁内声程在轴线上的投影h2由管壁厚度δ及超声波进入管壁的入射角Q2决定，即h2=δtanQ2；

超声波在流体中的声程在管道轴线上的投影h3，取决于管道内径D及超声波进入流体中的入射角Q3，即h3=DtanQ3。

两个换能器安装距离为：

h=2h2+h3=2δtanQ2+ DtanQ3

确定倍频M值时，要考虑满足测量精度的要求，也有考虑仪器的计数器容量及倍频系统中分频电路的可取性。

倍频数M的选择应满足： 

1/（0.01τ△f小）<M<2^n/（τ△f大）

式中△f小——以最低流速计算出的频率差（Hz）；

τ——对顺循（或逆循）的取样时间（s）；

△f大——最高流速相应的频率差（Hz）；

2^n——采用二进制双稳电路计数器可逆容量为2^n个脉冲；n为计数器双稳电路的数目。

实际上，M值的选择首先由流量下限和测量精度决定，在满足该要求后再考虑最接近的计数器容量，最后确定M，以便电路得到充分利用。

超声波流量计直接显示的是通过管道的流量，一般用kg或t表示。频差法超声波流量计可逆计数器算出的是脉冲数M△f，还需换算，这就引出了以脉冲数/kg (t)的仪表常数K：

K=M△fτ/（qtT）

式中qt——时间T内平均瞬时流量，（kg/s或t/s)；

T——取数周期（s），对频差法超声波流量计每隔时间T取出一组频差数；

M——倍频数；

τ——对顺、逆循环脉冲的取样时间（s)；

M△f——每隔时间T取出的一组频差数。

频差法超声波流量计的测量电路主要由电源、控制系统、循环系统、倍频系统、瞬时流量显示系统、累积流量显示系统组成。

控制系统由石英体制成的振荡器、分频电路和门电路等组成，以固定的时间顺序给各部分提供控制脉冲，使仪表各部分协调工作。

循环系统由声学系统即发射换能器-管壁-流体-管壁-接收换能器以及发射、接收、放大、整形、收发、转换电路组成。一般测量大管径的流体流量，发射超声波的频率取低些，小管径则取髙些。压电晶片固有振荡频率为发射频率，常用0.4MHz或 1.0MHz。放大电路是一个宽频放大器，增益不太高，但必须稳定可靠。

倍频电路是为了提高仪表的测量精度，减少信号检测时间而设置的电路。倍频系数M的稳定性直接影响整机的测量精度，为保证M的稳定性，必须采用倍频电路。

瞬时流量显示系统由倍频系统输出倍频后的频率Mf+及Mf- 通过门电路送入可逆计数器进行差值运算，求出频差M△f。再经数模转换电路转换成标准电压或电流，供流量瞬时值显示或信号远传。

累计流量显示系统是把瞬时流量相应的电压或电流值，经电压或电流一频率转换电路转换为相应的频率，并将此频率除以仪表参数，所得的频率进行累加得出累计流W，并以数字显示。