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超声波流量计两种测量方法的对比

来源:www.jsowyb.com 发布时间:2013-11-14 08:50:39

  超声波流量计因其非接触和高精度的特点,成为目前应用最广泛的流量计量仪器之一。近年来随着电子技术的飞速发展,超声波流量计的测量精度得到了很大提高,目前已经应用到了化工、水利、石油、天然气、医疗等各个领域。
  超声波流量计的原理是超声波在流体中传播时,其传播速度会受流体流速影响而变化,因此可以通过测量穿过流体的超声波信号来计算流体的流速。据此,所采用的测量方法主要有传播时间差法、频率差法、相关法、多普勒效应法等。其中传播时间差法和频率差法只需要获知超声波的传播时间(或频率),电路实现和测量计算相对容易,故在超声波流量计中使用较为广泛。本文在研制超声波流量计的基础上,针对传播时间差和频率差这2种实现方法,做了详细的对比研究,并通过实验分析对比了2种方法的实际效果。
1、时间差法
  超声波流量计的声道布置有多种形式,如V法、Z法、W法等。这里为了简化问题,使用换能器对射的传统布置形式,如图1所示。换能器A和换能器B分别安装在管路的两侧,且从一侧换能器发射出的超声波经过楔块和管路传播后恰好进入另一侧换能器。管路中流体的流动方向为从左至右,流速大小为u,超声波在流体中的传播距离为L(图1中d点和e点间的直线距离),传播路径(图1中虚线d→e) 与管路的夹角为θ,超声波在水中的声速为c。

 严格地说,超声波从一侧换能器发出,到另一侧换能器接收到,传播总时间tt由3部分组成:


    其中,td是电路的延迟时间,为常量;tw是超声波在管壁中的传播时间,也为常量;tf为超声波在流体中的传播时间,随流体速度而变化。这3项中,仅第3项tf对计算流体速度有贡献。超声波顺流(downstream)和逆流(upstream) 的传播时间为


    需要说明的是,这里计算得到的tu和td均为上面提到的tf。由此可计算得测量流速的超声波传播时间差法:      (4)

2、频率差法

    与时间差法对应的是频率差法,顺流和逆流的超声波传播频率分别定义为

        (5)

        (6)

    同样可求得测量流速的超声波传播频率差法:

 超声波流量计两种方法对比分析

  至此得到了超声波测量流速的2种方法,即时间差法和频率差法。这2种方法在现场应用环境下会受到下列因素影响而呈现不同的行为。

    1) 环境温度的变化。因为声速c通常随温度变化,所以当环境温度波动较大时,时间差法(式(4))的计算精度就要受到影响,而频率差法(式(7))中因为没有引入声速c,故不受温度影响。

    2) 时间测量的准确性。在实际中测量到的是超声波从一个换能器到另一个换能器的总传播时间tt,其中包含td,tw,tf3项。对照上述2种方法,在计算流量时,需要的仅是超声在流体中的传播时间tf(包括tu和td)。超声波在流量计中的传播时间微乎其微,通常只有100μs的量级,因此信号的延迟影响是不能忽视的。在时间差法流量计算中,td和tw这2项常量在计算时间差(tu-td)中抵消了,因此不受这一因素影响。而频差法的计算式(5) 和式(6) 中的顺逆流时间如果用超声波传播总时间tt代替tf计算,必然给结果带来误差。

    3)不确定度的计算。由式(4)和式(7),分别计算时间差法和频率差法的流量,以计算不确定度得到    


    其中Δt=tu-td。从上面的分析可知,事实上电路测到的是超声从一侧换能器到另一侧换能器的总传播时间tt,却无法准确获得tu和td,不过应指出,顺流和逆流的时间差Δt是准确的,不受电路延迟和管壁厚度的影响。另一方面,声速c虽然随着环境温度的波动而变化,但Δt的数量级很小,故温度变化带来的声速不确定度较小。从这2方面考虑,就不确定度而言,时间差法的计算结果较频差法的结果准确。

    综合以上3方面的影响,超声波流量计时间差法仅在环境温度的变化这一影响上不如频率差法,考虑到在不确定度的计算中指出环境温度变化引入的不确定度,相对于时间测量的不确定度,其影响微乎其微。故从理论分析的角度来看,时间差法的测量精度高于频率差法。

 

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