由于超聲波流量計(jì)采用非接觸測量方式、不受被測流體的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的影響,因而受到廣泛的重視。超聲波流量計(jì)一般由超聲波換能器和電子電路兩部分組成。在當(dāng)今微電子技術(shù)空前發(fā)展的時(shí)代,設(shè)計(jì)并制作出高精度的測量電路、利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)和選擇就顯得非常重要了。本文擬就時(shí)差法超聲波流量計(jì)換能器的結(jié)構(gòu)和波型轉(zhuǎn)換、諧振頻率等問題,結(jié)合作者的一些實(shí)驗(yàn)體會作些探討。

2 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量原理

利用超聲波束在流動(dòng)液體中順流和逆流傳播所用時(shí)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(fā)射和接收超聲波。設(shè)順流時(shí)超聲波傳播的時(shí)間為t1,逆流時(shí)超聲波傳播的時(shí)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(dǎo)和管壁中的傳播時(shí)間與電路延遲時(shí)間之和。

只要測出時(shí)差,即可得到流體速度u.

3 換能器結(jié)構(gòu)與波形轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)換成兩束縱波在流體中傳播,這兩束縱波將在對面管壁轉(zhuǎn)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(jī)玻璃作為聲導(dǎo),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(shí)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(shí)際上斜入射時(shí),特別是在產(chǎn)生波形轉(zhuǎn)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(shí)還與界面兩側(cè)的介質(zhì)性質(zhì)有關(guān),在兩種不同介質(zhì)分界面處(見圖2),

式中:Z1、Z2為介質(zhì)1、2的聲阻抗,Z與介質(zhì)密度和介質(zhì)聲速有關(guān);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(guān),其理論計(jì)算比較復(fù)雜,故多采用實(shí)測方法,圖3為鋼/水界面橫波斜入射情況時(shí)橫波聲壓反射率與橫波入射角的關(guān)系曲線。從圖3可見當(dāng)鋼中橫波入射角αs在30°左右時(shí),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(yīng)使超聲波束在鋼管壁內(nèi)的入射角保持在30°左右,但此時(shí)超聲波在液體中的折射角β≈14°,由圖1可得,θ=90°-β,結(jié)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(shí)精度,例如D=25mm的管道,其電路測時(shí)精度應(yīng)在納秒(ns)級,這對于當(dāng)代電子技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)的。應(yīng)該指出,當(dāng)入射角在30°左右且管壁較薄時(shí),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(shí)接收,影響測量精度。對壁厚為4mm、直徑為25mm的鋼管做過實(shí)驗(yàn),所做實(shí)驗(yàn)表明,入射角為30°、晶片直徑大于30mm的換能器難以實(shí)現(xiàn)接收一束波的目的,因此應(yīng)適當(dāng)減小換能器晶片尺寸。雖然換能器晶片尺寸減小將導(dǎo)致發(fā)射信號的減小,但由于透射率處于最大值,接收信號遠(yuǎn)大于入射角為45°,大晶片換能器的接收信號(實(shí)驗(yàn)表明,入射角為30°,晶片直徑為20mm的換能器,其接收信號遠(yuǎn)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(lì)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(lì)電壓來提高接收信號強(qiáng)度。

4 超聲換能器振蕩頻率的選擇

超聲波流量計(jì)的發(fā)射換能器,一般采用脈沖方式激勵(lì),一旦超聲換能器受脈沖激勵(lì)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(shí)精度,往往選取其順流發(fā)射和逆流發(fā)射情況下的某個(gè)波的上升沿作為計(jì)時(shí)截止的關(guān)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(xù)曲線,這樣當(dāng)頻率較低時(shí),由于接收電路的誤差將造成圖5中“×”的位置沿時(shí)間軸偏移,導(dǎo)致計(jì)時(shí)精度降低。為提高計(jì)時(shí)精度,應(yīng)選擇高頻率換能器,但頻率太高將增加電路設(shè)計(jì)的困難。頻率一般根據(jù)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(lì)電壓小,適用于不便使用交流電源的手持式超聲波流量計(jì)。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(lì)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(yīng)根據(jù)管徑來選擇,大管徑應(yīng)選則低頻,反之選高頻。