由于超聲波流量計采用非接觸測量方式、不受被測流體的物理性質和化學性質的影響,因而受到廣泛的重視。超聲波流量計一般由超聲波換能器和電子電路兩部分組成。在當今微電子技術空前發展的時代,設計并制作出高精度的測量電路、利用單片機實現信號的分析處理是非常容易的事情。因此為獲得所要求的測量精度,超聲波換能器的設計和選擇就顯得非常重要了。本文擬就時差法超聲波流量計換能器的結構和波型轉換、諧振頻率等問題,結合作者的一些實驗體會作些探討。

2 時差法超聲波流量計測量原理

利用超聲波束在流動液體中順流和逆流傳播所用時間不同來測量流量的,如圖1所示。F、J為超聲波換能器,交替發射和接收超聲波。設順流時超聲波傳播的時間為t1,逆流時超聲波傳播的時間為t2,則

式中:D為管徑;θ為超聲波射線與管道軸線之間的夾角; u為流體的平均流速; c2為超聲波在流體中的傳播速度;τ為超聲波在聲導和管壁中的傳播時間與電路延遲時間之和。

只要測出時差,即可得到流體速度u.

3 換能器結構與波形轉換問題

由圖1可見,在第一折射面處,以α為入射角的超聲縱波將在管壁產生縱波和橫波兩種波形。在管壁和流體界面處,兩種波形均轉換成兩束縱波在流體中傳播,這兩束縱波將在對面管壁轉換成兩束縱波和兩束橫波。為提高換能器接收信號的選擇性,一般選取入射角α大于第一臨界角而小于第二臨界角,以保證僅一束超聲波被換能器接收。若管道為鋼管,換能器用有機玻璃作為聲導,一般選取28.7°<α< 60°。在上述討論中僅考慮了超聲波在遇到界面時折射波的方向問題,并未考慮入射波和折射波的聲壓問題,實際上斜入射時,特別是在產生波形轉換的情況下,反射波及折射波聲壓分配是隨入射波型和入射角的變化而改變,同時還與界面兩側的介質性質有關,在兩種不同介質分界面處(見圖2),

式中:Z1、Z2為介質1、2的聲阻抗,Z與介質密度和介質聲速有關;α、β為入射角和折射角; pm、p1m、p2m為入射波、反射波、折射波的聲壓幅值,p1m+pm=p2m.

由于B、R與Z有關,其理論計算比較復雜,故多采用實測方法,圖3為鋼/水界面橫波斜入射情況時橫波聲壓反射率與橫波入射角的關系曲線。從圖3可見當鋼中橫波入射角αs在30°左右時,聲壓反射率R值最小,約為15%,由于B+R=1,聲壓透射率B最大。

在αs>40°之后,R基本維持在90%左右。由此可見,欲提高超聲波束從管壁到液體的透射率,則應使超聲波束在鋼管壁內的入射角保持在30°左右,但此時超聲波在液體中的折射角β≈14°,由圖1可得,θ=90°-β,結合公式(3)可知,在此情況下Δt將減小,因此要獲得一定的測量精度必須提高電路的測時精度,例如D=25mm的管道,其電路測時精度應在納秒(ns)級,這對于當代電子技術是可以實現的。應該指出,當入射角在30°左右且管壁較薄時,被管壁反射的兩束波(圖4中的1、2兩束波)間距較小,可能被換能器同時接收,影響測量精度。對壁厚為4mm、直徑為25mm的鋼管做過實驗,所做實驗表明,入射角為30°、晶片直徑大于30mm的換能器難以實現接收一束波的目的,因此應適當減小換能器晶片尺寸。雖然換能器晶片尺寸減小將導致發射信號的減小,但由于透射率處于最大值,接收信號遠大于入射角為45°,大晶片換能器的接收信號(實驗表明,入射角為30°,晶片直徑為20mm的換能器,其接收信號遠大于入射角為45°,晶片直徑為30mm換能器的接收信號)。由于入射角為30°的換能器透射率大,能量損失小,因此激勵電壓可以減小。對于入射角為45°的換能器,由于透射率較小,可采用提高激勵電壓來提高接收信號強度。

4 超聲換能器振蕩頻率的選擇

超聲波流量計的發射換能器,一般采用脈沖方式激勵,一旦超聲換能器受脈沖激勵后,換能器的壓電陶瓷將按自身的固有頻率振蕩并輻射超聲波。壓電陶瓷的固有頻率對于流量測量具有重要影響。一般接收到的超聲波為一束波(如圖5所示),為提高測時精度,往往選取其順流發射和逆流發射情況下的某個波的上升沿作為計時截止的關門脈沖(如圖5中的“×”位置)。由于超聲波為一正弦波,其上升為一緩慢的連續曲線,這樣當頻率較低時,由于接收電路的誤差將造成圖5中“×”的位置沿時間軸偏移,導致計時精度降低。為提高計時精度,應選擇高頻率換能器,但頻率太高將增加電路設計的困難。頻率一般根據管徑來選擇,管徑較大選擇低頻換能器,反之選擇高頻換能器,其頻率范圍一般為0.5~2MHz.

由文中的分析可知,入射角為30°的換能器,由于透射率較大,能量損失小,激勵電壓小,適用于不便使用交流電源的手持式超聲波流量計。入射角為45°的換能器,其透射率較小,但可增大換能器晶片尺寸,提高激勵電壓,適用于固定式或可以使用交流電源的便攜式。換能器的頻率應根據管徑來選擇,大管徑應選則低頻,反之選高頻。