[导读] 超声波流量计是一种利用超声波来测量流体流量的速度式流量仪表，它从80年代开始进入我国工业生产和计量领域，并在90年代得到迅速发展。本文对我国国内市场上常用的时差式超声波流量计的工作原理进行分析，得出了计量精度提高的关键和具体方法。
1 时差式超声波流量计
目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，存在造价提高、能损加大、安装不便等缺点。各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流。根据工作原理的不同，超声波流量计分为多谱勒式超声波流量计和时差式超声波流量计两种。多谱勒式超声波流量计只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂质含量稳定的工厂过程液等。目前生产最多、应用范围最广泛的是时差式超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水领域得到广泛应用。此外它也可以测量杂质含量不高（杂质含量小于10g/L，粒径小于1mm）的均匀流体。
2 时差式超声波流量计的工作原理
如果超声波在静水中的传播速度为V，而当水的流速为V0时，超声波顺水传播速度变快，V1=V0+Vcosθ；逆水传播速度变慢，V2=V0-Vcosθ。如果在管径为d的水管壁的A、B两点放置两个超声波探头，A、B探头均能发射和接收超声波，如图1。这样由A发射，B来接收，从发射到接收的时间为t1；由B发射，A来接收，从发射到接收的时间为t2。由于顺水和逆水发射与接收的距离相等，这样：
图1 时差式超声波流量计工作原理
得到水流速：
所以管中的水流量为：
其中t为测量时间。流量的精度在原理中可以看到，水流速V的精度是流量精度的关键，而V的精度又是以t1、t2的测量精度为基础的，t1、t2的测量一般用MCS-51单片机来实现。MCS-51单片机内有两个定时器T1、T2，可以用来计时。计时脉冲周期为T，如图2（如果晶振是12MHz，T为一个机器周期，也就是1μs）。
所以：
图2 单片机计时原理
发射超声波和计时的开始是由单片机控制的，但接收到超声波时一般并不正好是整数个计时脉冲，这样t1（t2）的最大误差为T，T为μs数量级时间，这样V的误差会很小，但是（t1-t2）一般也为μs级，尤其在水流速V比较小时，t1-t2很小，误差T就显得很大。这就造成流量精度不是很高。当然我们可以用提高单片机晶振或者换高级的单片机的方法来减小T。但提高单片机晶振是有一定限度的，能不能在不提高晶振的前提下提高t1（t2）的精度呢？
3 时差式超声波流量计精度的提高
我们可以用一个同样精度的压控振荡器来代替原来的固定晶振，这样就可以通过电压控制晶振的频率。我们对晶振的频率微调，也就是T可以微调，使计时时间t1（t2）正好是T的整数倍（如图3），这样就几乎没有误差了。
图3 可变晶振单片机计时原理
当然晶振的频率微调是要靠电压的连续调整进行的，这在实际的测量中不可能实现。实际晶振的频率只能步进式地进行m次（比如6次）微调，即以不同的计时脉冲T进行m次测量。但这样计时时间t1（t2）就不一定正好是T的整数倍，同时我们可以知道m次测量中最小的一个t1（t2）是误差最小。进行m次测量大大增加了测量周期，但却大大提高了测量的精度。如图4。
图4 测量t1（t2）程序流程
4 结语
时差式超声波流量计具有原理清楚、结构简单、工作可靠、运行稳定、重复性精度高、耐磨损、免维护、无附加阻力损失、运行费用低等特点，属于节能型流量测量装置。传感器可直接安装，从根本上解决了跑冒滴漏的问题。时差式超声波流量计对直管段相对要求不严格，对介质、环境、管径、流速的适应范围广。时差式超声波流量计越来越得到业内人士的认可，使用范围越来越广，其前景不可限量。我们愿意为进一步改善、发展、推广这种颇有前途的流量测量装置而贡献一份力量。经过上述方法的改进，时差式超声波流量计的精度得到提高，其前景会更加光明。这种计时方法也可用在其他测量变化不快的实时计时上。