[导读] 气体超声波流量计在信号、硬件电路、流场等因素的问题，严重制约了产品的计量精度、稳定性、重复性等基本指标，制约了产品化的发展。分别从上述三方面深入研究了超声波流量计影响因素，并提出一些针对性的解决方法，对今后深入研究超声波流量，提高流量计的适应性和精度具有实际作用。
超声波气体流量检测技术是近年来流量检测领域的一个亮点，从目前在中、大口径管道气体流量计量中的应用情况来看，超声波流量计在计量精度、可靠性、压力损失、维护费用以及制造成本等方面相比其他计量器具都有自己独到的优势，特别是在天然气输送领域，超声波流量计已有成为最佳选择的趋势[1]。
气体的超声流量测量存在传播衰减大、信号不稳定、信噪比提高受制约、声透射率不稳定、声学噪声干扰和气体流场不稳定等严重问题，液体超声波流量计中已经成熟的信号处理方式根本不适于气体测量领域。由于以上问题的存在，严重制约了产品的计量精度、稳定性、重复性等基本指标，制约了产品化的发展[2]。
1 信号因素分析
1.1 超声波的衰减特性
超声波在非理想的媒介中传播时，会出现声波随着距离增加而逐渐衰减的物理现象，产生了将声波转换为热耗散过程，这就称为媒质中的声衰减，或叫做声吸收。
引起媒质对声波吸收的原因很多，主要有粘滞吸收和热传导。根据声吸收的通用公式[3]：
（1）
式中：α为声衰减系数；αx为声的热传导系数，，f为超声波发射频率，ρ0为传播媒介密度，c为声波传播速度，x为热传导系数，cV为比定容热容，cp为比定压热容；αn1为声的粘滞吸收系数，η1为切变粘滞系数；αR为声的容变吸收系数，η2为容变粘滞系数。将αR，αn1和αx的表达式代入式（1）可得
（2）
在常温常压下，空气的容变粘滞系数为：空气的密度为ρ0=1.21kg•m-3，声波在空气中的速度为：c=344m•s-1。将η2，ρ0，c代入AR计算式可得：AR=1.624´10-10s2•m-1。查表得[4]：在常温常压下，空气的。本系统采用f=200kHz.将Aη1，Ax，AR，f代入式（2）可得：=7.04。
超声波在介质中传播时，由于声波的扩散、散射和吸收，其衰减特性满足下式：
（3）
式中：P（x）为传输距离x处的振幅；x为接收探头到发射探头的距离；P0为声压初始振幅（x=0）。
1.2 超声波衰减验证实验
从图1可知，本系统采用200kHz的超声波发生器，信号经过放大和滤波环节后，用示波器观察信号的电压峰值。
由图2可以看到当探头距离小于30cm时，理论曲线和实际曲线接近重合，当距离大于30cm以后，实际信号曲线的斜率比理论斜率小，存在的原因是采集电路上存在固定的周期性的噪声干扰，当探头距离逐渐变大时，接受电路的信噪比降低，如图3为收发探头相距35cm处信号采样，可见此处的信噪比为10：1。
图1 超声波衰减实验框图
图2 超声波信号衰减图
图3 35cm处实验信号和噪声图
1.3 超声波探头的选择
超声波传感器又称为超声波换能器或超声波探头，在系统中它完成了高频声能与电能之间相互转化.按能量转换原理，超声波换能器可分为磁性换能器和电性换能器。本课题采用的超声波传感器是电性换能器，属于压电式[5]。
频率选择，首先要考虑在最大传播距离内，接收器能接收到足够声压与强度的超声波信号。其次还要考虑超声波振动因机械效应、热效应、化学效应、生物效应等对周围环境的影响。从这两个方面来说，由式（2）可知，超声波的衰减系数与超声波频率的平方成正比，空气中超声波频率越小越好，但是考虑到气体流量检测精度，超声频率越大越好，而太大的超声频率又将造成过大的信号能量衰减。将二者折衷考虑，气体超声波流量计的超声波传感器的振荡频率选择在100~200kHz的范围内为最佳。本系统选用200kHz的收发一体的探头[6]。
2 硬件因素分析
2.1 计时模块因素
时差法超声波流量计的计量精度主要在于超声波顺逆流的时间的计时精度，本系统综合得出的气体流速计算式为
（4）
式中：t1为顺流超声波渡越的时间；t2为逆流超声波渡越时间；L=20cm，L为超声波发射和接收探头之间的渡越距离；θ=30°。根据式（4）计算得出：1μs的计时差就会产生25cm•s-1的速度差，如果采用分辨率更高的专用计数模块可以提高流速测量的分辨率，但是成本也会大幅度地提高。
信号检测电路的设计方式也会对测量精度产生巨大的影响，由于超声波声强波形大小会在外界情况的变化下发生变化，采用普通门槛式检测方式会产生Δt的误差。
2.2 计时模块的改进设计
采用高速高精度的计数硬件方法，可以提高超声波流量计的精度，本系统采用50MHz时钟的FPGA（现场可编程逻辑门阵列）芯片，内部带有锁相环（PLL）电路，可以将系统频率提高到100MHz。既能实现高精度的计数，计时分辨率为10ns，速度分辨率为2.5mm•s-1；同时也能实现系统后续的数据处理和系统控制，从总体上降低系统的设计成本。
采用零点检测电路，将信号的计时截至时间定位图4中画圈处，用示波器观察的结果，如图5所示。
图4 超声波检波波形图
图5 超声波过零检波波形图
观察图5，可见该电路设计能够消除因为信号不稳定而造成的误差Δt，实现信号的过零检测。
3 流场因素
3.1 流速因素
当流体流速比较小的时候，在工程上可以近似认为超声波射线是沿直线传播的.但是对于高速气体流量而言，这种差别是不能忽视的.假设管道直径为50mm，声速和管壁的夹角为45°，声速为340m•s-1，在流速为15，20，30m•s-1时，对应声束偏移为6.24，8.32，12.50mm，这样大的偏移距离已经和探头的半径相当，收到的信号幅值被严重削弱。如图6所示，当流体速度增加时，超声波的有效接受面积变小了，使接受信号强度变小。
3.2 弯管对流场的影响
上述所提及的充分发展的层流和紊流数学模型，实际情况往往不能和理想的数学模型相吻合。气体需经过相当长的直管段才能得到充分发展.全美气体联合会（AGA）发表的标准《AGA-9》建议在流量计的上游保留10倍管径的直管，下游保留5倍管径的直管。但即使如此，由于弯管所造成的流场分布不均匀，有报告指出可以传递到弯管后部22倍管径处[7]。
弯管引起的二次流动，其产生原因是弯管内外侧曲率不同。当内部流体微团运动时，由于离心力的不同，在管道截面上产生一个力场，从而推动流体微团产生径向运动。流动速度越快，管道弯曲半径越小，在管道内部的二次流强度越大，只有当流体由于内摩擦，并且失去了借以维持二次流的动力来源，其强度才会逐渐衰减。
图7为理想的轴对称紊流和非对称紊流的流速分布图。由于流速分布的不对称，不能完全按照原理论数学模型进行流量的计算。实际上流量修正系数需要通过实验进行确定。
图6 信号路径受流速影响示意图
图7 理想与实际流速分布示意图
3.3 流场的适应性设计
流量测量管道模型见图8，图中γ为超声波探头连线在管道横截面上的投影与管道横截面y轴方向的夹角，L为超声波探头连线中心到弯管出口的距离，D为管道直径。
通过应用流体仿真软件FLUENT的仿真结果，可以发现在流场保持不变的情况下，由于弯管的影响导致管道内的流速x轴方向上的分布和y轴方向上的分布是完全不一样，而且随着下游距离的变化，各截面流场的分布也是不一样的。在仿真的基础上，针对本管道特征，在理论上采用γ=90°，L=9.2D和γ=70°，L=8.5D都能以较小的流量误差来测量流道的真实流量值。实际安装过程中可以根据不同的安全要求选择合适的γ和L的组合。
图8 流量测量管道模型
4 结语
通过分析以上各点的影响因素，可见超声波流量计需要在信号处理、硬件改进、提高安装精度、系统流场分析等方面进行更深入的研究，以提高气体超生波流量计的适应性和测量精度。本文主要在一次仪表上进行影响因素的分析，并提出了一些可实现的处理方法，但在实际设计中二次仪表的设计仍然存在很多的不稳定因素，因此还需要进行更多的研究，以提高气体超声波流量计的应用性。