【正文】 ?2sin221 12 dtt ttv ??? （ 3 — 7 ） 式（ 37 ）與（ 34 ）相比，消掉了超聲波速度 C 這一項 ，因 此，改進后的時差法公式消除了 C 對測量結(jié)果的影響，從理論模型上提高了流速度測量精度。 所以， 在本設(shè)計中，我們的換能器將采用單通道（即只采用一對探頭） V 字型 安裝，這樣不僅可以提高系統(tǒng)的分辨率，而且單通道形式可以消除由于雙通道換能器參數(shù)不對稱等引起的一些附加溫度誤差 ， 特 別是單通道的發(fā)射器、接收器安裝在管壁同一側(cè)，讓超聲波在管壁對側(cè)反射一次的方法還可以減少流速斷面分布不均勻的誤差，另外這種方法也可以減少超聲波在聲道中多次反射引起的對測量 的干擾。 換 能 器 的 安 裝 對于 時差法超聲波流量計來說，超聲換能器在管道上的安裝位置通常有三種不 同形式：平行式、 Z 型、 V 型 。 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 18 第三章 時 差 法 超 聲 波 流 量 計 的 總 體 設(shè) 計 本課題 研究的超聲波流量計是采用時差法測量原理來 進行流量檢測的。 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 17 圖 10 夾 裝 式 超 聲 波 傳 播 途 徑 可得關(guān)系式： )s inarc s in(00 ?? CC? 因為中 C0和 0? 為已知量， C 為超聲波在被測流體中的傳播速度，是溫度的變量。 圖中所示超聲波在流體中的 ? 角不但受到流體聲速的影響，還與聲楔和管壁材料中的聲速有關(guān) 。 那么，在層流狀態(tài)下， maxv 與 v 的關(guān)系為： m a x02m a x0 32])(1[22vRRrvRdrvvRRr ???? ?? 2) 當(dāng) Re2300 時，流體開始向紊流狀態(tài)過渡，通常介于層流和紊流之間的狀態(tài)也作為紊流狀態(tài)處理，管內(nèi)流體流速分布為 ： nRrvrv 1m a x )1()( ?? 式中， n 隨 Re 不同而變化的系數(shù)，其值見表 1 所示： eR *103 *104 *105 *106 *106 n 表 1 n 與 eR 的關(guān)系 那么，在紊流狀態(tài)下 ， v 與 vm的關(guān)系為： m a x010 1)1(22vn nRdrRrRdrvvR nRr????? ?? 而我們所需要知道的是管道截面上的平均速度 vd，同樣利用前面公式，可知層流狀態(tài)下 vd與 vmax 的關(guān)系為： 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 16 m a x202m a x21)(12 vRr d rRrvAQvRvd ???? ? ?? 可知絮流狀態(tài)下， vd 與 vmax 的關(guān)系為： m a x2201m a x)1)(12(2)1(2 vnnnRr d rRrvAQvR nvd ?????? ? ?? 由以上公式可知，層流時流量修正系數(shù)為： 34?K 絮流時流量修正系數(shù)為： nnK 2 12 ?? 折 射 角 ? 的修正 夾裝式 超聲波流量計除了做流速分布修正外，必要時還要對 ? 角進行修正 ，根據(jù) ? 角隨流體中聲速 C 的變化而變化，而 C 又 是流 體溫度的函數(shù)，因此，必須對 ? 角進行自動跟蹤補償，以達到溫度補償?shù)哪康?。根?jù)流體力學(xué)可知，雷諾數(shù) Re 是流體流動狀態(tài)的一個判斷依據(jù)， 一般認為， Re=2300 可作為流體從層流狀態(tài)到紊流狀態(tài)的臨界判斷，其計算公式如 下： DvRe ??? 式中 v 為流體的平均流速， D 為管道直徑， ? 為管道中流體的運動粘度， ? 為流體的密度。兩種不同流動狀態(tài)對應(yīng)著管內(nèi)的速度分布也不同。 層流和紊流是流體 流動的兩種狀態(tài)。 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 14 圖 9 雙 觸 發(fā) 原 理 圖 由于雙觸發(fā)回路中包含有誤觸發(fā)檢測回路、觸發(fā)選擇回路和延遲時間補償回路等，因此它增加了硬件電路的復(fù)雜性 。此時可 改用 H 電平觸發(fā)，即由第二個波觸發(fā)變到第三個波觸發(fā)。 雙 觸 發(fā) 回 路 所謂雙觸發(fā)回路就是預(yù)先設(shè)置兩種不同的觸發(fā)電平，當(dāng)接收波形變化時，改變觸發(fā)電平，自動選擇最佳觸發(fā)電平來檢測時間。若檢測到噪聲或輸入信號太強則調(diào)小增益，如果輸入信號太弱且噪聲級很低則調(diào)大增益，儀器將新的自動增益設(shè)置值作為在下一次測量中的增 益初始值。但是 PLL 鎖相回路沒有從本質(zhì)上解決由于設(shè)定閾值而帶來的誤差問題 。在閉合回路達到穩(wěn)定狀態(tài)時，時間差信號為零， t=N/f 。采用鎖相技術(shù)可以解 決這一問題 。 PLL 鎖 相 回 路 法 在超聲波流量測量中，傳播時間只有幾百μ s ，用一般計時脈沖（如 1MHz）來 計時是不能滿足要求的?？朔吮撞〉淖钣行Х椒ㄊ窃O(shè)置一個能跟蹤目標(biāo)的窗口，在此窗口內(nèi)接收門是打 開的，除此之外，門一直是關(guān)閉著，可以有效的防止干擾信號的侵入。 設(shè) 置 接 收 窗 口 一般測量傳播時間，都是以收到的的第一個接收波作為計時開關(guān)信號的。 因此，如何確保超聲測時的準(zhǔn)確性以及選用何種方法計算時差成為時差法超聲波流量計測量的關(guān)鍵，為此 人們常在測量回路上采取一些措施，常見的方法有 ： 閥 值 法 設(shè)置閥值，當(dāng)接收信號 高于閾值時，即認為信號到達，一般采集信號的第 2個 峰值（如圖 7 ）， 然后減去一個周期，所得結(jié)果為信號的傳播時間。 只有在既能穩(wěn)定、準(zhǔn)確地測 量傳播時間又能有效地對順、逆流傳播時差進行計算的前提下 ， 才談得上測量精 度 。超聲換能器 A、 B 是一對可輪流發(fā)射或接收超聲脈沖的換能器，其安裝方式采用管外夾裝式。 圖 6 脈 沖 信 號 及 其 幅 頻 特 性 時 差 法 超 聲 波 流 量 計 的 基 本 原 理 時差法超聲波流量計就是利用聲波在流體中順流、逆流傳播相同距離時存在時間差，而傳播時間的差異與被測流體的流動速度有關(guān)系，因此測出時間的差異就可以得出流體的流速，也就可以計算出流體的流量。為了使傳感器的輸出特性最佳，所發(fā)送的脈沖信號 應(yīng)該在傳感器的中心頻率處信號最強 ；但另一方面脈沖寬度不能太大，否則會給 蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 10 接收換能器帶來很大的干擾，使接收電路識別不出接收信號是否為真實信號，因此可以考慮將中心頻率對應(yīng)的角頻率取在偏離直流信號一定角頻率的第一個峰值a23? 處。對圖 6(a)所示脈沖信號進行頻譜分析，其幅 頻特性如圖 25(b)所示。無論什么驅(qū)動信號，在換能器正確安裝的前提下，脈沖寬度的大小與換能器頻率之間存在著一最佳關(guān)系式，當(dāng)脈沖寬度滿足該關(guān)系式時，可使 換能器輸出的信噪比最高 。 超 聲 波 換 能 器 的 驅(qū) 動 信 號 對 其 工 作特 性 的 影 響 任何一個 換能器都有其中心頻率，要使換能器工作在最佳狀態(tài)，其驅(qū)動信號 頻率應(yīng)與換能器的中心頻率一致。 為了 提高探頭發(fā)射超聲波的效率，常在晶片背面裝上阻尼塊以增大晶片的振動阻尼，并吸收晶片背面發(fā)出的超聲波；同時，為了保證聲能損失小、方向性強，必須把壓電材料封裝在聲楔中，聲楔應(yīng)具有良好的透聲性能，常用有機玻璃制成 。 (6) 換能器的頻率特性： 所謂頻率特性就是換能器的主要參數(shù)，如功率、聲壓、阻抗和靈敏度等隨頻率變化的特性。 D?? 1?? 式中， ? 為超聲波波長， D 為換能器直徑，所以頻率越高，擴散角越小。所以，一方面換能器與發(fā)射電路（或接收電路）末級電阻應(yīng)該匹配；另一方面換能器應(yīng)該與輻射聲負載（或接收聲負載）匹配 。例如，同一只壓電換能器，在水中的 mQ ? 30，在空氣中 200?mQ 。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低 。因此不同形狀和振動方式所對應(yīng)的機電耦合系數(shù)也 不 同。最早給出定義的梅森將機電耦合系數(shù)定義為 從電源取得的總能量 貯存的機械能量?tK 但是，定義機電耦合系數(shù)的公式很多而且各部協(xié)調(diào)。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出 的能量最大，靈敏度也最高。 超聲換能器有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分為直探頭（縱波 ）、 斜探頭（橫波 ）、表面波探頭（表面波 ）、 蘭姆波探頭（蘭姆波 ）、 雙探頭等。圖 5 是壓電換能器的完整等效 電路（電流等效電路圖 ）。 通常壓電型超聲波換能器可以等效地看作一個電壓源和一個電容器的串聯(lián)電 路，如圖 4（ a ） 所示，也可以等效為一個電流源和一個電容器地并聯(lián)電路，如圖 4 （ b ） 所示。當(dāng)在超聲換能器的兩電極施加脈沖信號時，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動諧振子振動，并推動周圍介質(zhì) 振動，從而產(chǎn)生超聲波。 其結(jié)構(gòu)原理如圖 3 所示 ： 圖 3 超 聲 波 換 能 器 結(jié) 構(gòu) 原 理 圖 超聲波換能器是一個超聲頻電子振蕩器，當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到 超聲換能器的壓電晶體上時，壓電晶體組件就在電場作用下產(chǎn)生縱運動。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，己發(fā)明設(shè)計并制成了許多類型的超聲波發(fā)生器，目前使用較多的是壓電型超聲波發(fā)生器，而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石 英單晶體，鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷復(fù)合晶體 (PZT) 、 PVDF蘭州理工大學(xué)電信學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 7 等 。換能器處在 發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉(zhuǎn)換為機械能， 再將機械能轉(zhuǎn)換為聲能；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時，將聲能轉(zhuǎn)換為機械能， 再轉(zhuǎn)換為電能。 超聲換能器，也即超聲傳感器，是超聲波流量計中的重要組成部分。在設(shè)計過程中必須充分考慮以上兩大因素，采取相應(yīng)的措施確保超聲波流量計的實現(xiàn)。造成衰減的主要原因是因為一方面，超聲波在傳播過程中，在液體分子、固體顆粒、懸浮物和氣泡的作 用下，有一部分聲能會不可逆轉(zhuǎn)地轉(zhuǎn)換成媒質(zhì)的其他形式的能量，對超聲波來說就是有一部分能量被吸收了，通常認為流 體的聲吸收衰減系數(shù)是與頻率的平方成正比的；另一方面，超聲波在媒質(zhì)中傳播時，如果媒質(zhì)中含有大量的散射粒子（如流體媒質(zhì)中的懸浮粒子、液體中的小氣泡、固體媒質(zhì)中的顆粒狀結(jié)構(gòu)缺陷、摻雜物等 ）， 則一部分超聲波將被散射 開來， 不再沿原來方向前進，僅有余下的一部分是沿原方向繼續(xù)前進的，這樣就形成了散射衰減，而固體顆粒、懸浮物等散射物質(zhì)本身又成為聲源，又會向所有方向輻射聲能，超聲工業(yè)測量技術(shù)中最常遇到的散射衰減情況是由 大量的尺寸遠小于波 長的散射粒子所引起的，通常可認為散射衰減系數(shù)與頻率的四次方成正比。 因為本課題主要是研究針對供水行業(yè)的超聲波流量計，所以我們只以水為介質(zhì)進 行分析 ： 1 ） 超聲波的傳播速度