2、時(shí)差超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

　　使用超聲波束從流動(dòng)的液體向流動(dòng)的水和逆流傳播所需的時(shí)間是不同的，如圖1所示。f，j是交替發(fā)射和接收超聲波的超聲波轉(zhuǎn)換器。設(shè)置下游時(shí)，超聲波傳播的時(shí)間是t1，反流時(shí)超聲波傳播的時(shí)間是T2

　　:D是直徑。θ是超聲波射線與管道軸之間的角度。u是流體的平均流速。C2是超聲波在流體中的傳播速度。τ是超聲波在聲學(xué)和管道壁上的傳播時(shí)間與電路延遲時(shí)間之和。

　　通過(guò)測(cè)量時(shí)差，可以得到流體速度u。

　　3、轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)和波形轉(zhuǎn)換問(wèn)題可在圖1中看到，*折射面上入射角為α的超聲波縱波會(huì)在管道壁上產(chǎn)生縱波和橫波兩種波形。在管道壁和流體接口中，這兩個(gè)波形都轉(zhuǎn)換為兩個(gè)縱波，并在流體中傳播。兩個(gè)宗派在相對(duì)的管道壁上轉(zhuǎn)換為兩個(gè)宗派和兩個(gè)橫檔。為了提高轉(zhuǎn)換器接收信號(hào)的可選性，通常選擇入射角α大于*閾值角并小于第二閾值角，以便轉(zhuǎn)換器僅接收一束超聲波。如果管道是鋼管，轉(zhuǎn)換器使用有機(jī)玻璃作為聲學(xué)導(dǎo)向，通常選擇28.7 40，r默認(rèn)情況下保持在90%左右。因此，要想提高超聲束從管壁到液體的透射率，必須在鋼管壁上將超聲束的入射角保持在30左右，但此時(shí)超聲波是以從圖1、θ=90-β、耦合公式(3)中獲得的液體折射角度β~ 14來(lái)測(cè)量的，在這種情況下δ t會(huì)減少，因此為了獲得特定的測(cè)量精度，必須提高電路的測(cè)量精度(例如D=25mm管道，電路測(cè)量精度必須在納秒(ns)級(jí)需要指出的是，在現(xiàn)代電子技術(shù)中，入射角約為30，管道壁薄時(shí)，在管道壁上反射的兩個(gè)梁波(圖4中的1，2個(gè)梁波)的間隙很小，轉(zhuǎn)換器同時(shí)接收到，這可能會(huì)影響測(cè)量精度。對(duì)壁厚為4mm、直徑為25mm的鋼管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，入射角為30，芯片直徑為30mm以上的轉(zhuǎn)換器難以接收到一束波浪，因此必須相應(yīng)地減小轉(zhuǎn)換器晶片的大小。減小轉(zhuǎn)換器芯片的大小會(huì)減少傳輸信號(hào)，但如果傳輸速率較大，接收信號(hào)會(huì)接收入射角大于45，大型晶片轉(zhuǎn)換器會(huì)接收到接收信號(hào)(實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，入射角為30，芯片直徑為20mm的轉(zhuǎn)換器，接收信號(hào)大于入射角大于45，芯片直徑為30mm的接收信號(hào))。入射角為30的轉(zhuǎn)換器透射率高，能量損失小，因此可以降低激發(fā)電壓。入射角為45的轉(zhuǎn)換器透射率較低，因此可以使用增強(qiáng)的激發(fā)電壓來(lái)提高接收信號(hào)強(qiáng)度。

　　超聲波轉(zhuǎn)換器選擇振動(dòng)頻率的超聲波流量計(jì)的發(fā)射轉(zhuǎn)換器通常以脈沖方式工作，超聲波轉(zhuǎn)換器受脈沖刺激時(shí)，轉(zhuǎn)換器的壓電陶瓷會(huì)根據(jù)固有頻率振動(dòng)，從而發(fā)射超聲波。壓電陶瓷的固有頻率對(duì)流量測(cè)量有重要影響。一般來(lái)說(shuō)，接收到的超聲波是一束波，如圖5所示，為了提高時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性，經(jīng)常選擇流向發(fā)射和逆流發(fā)射情況下特定波的上升作為時(shí)序切削的閉合脈沖(圖5中的“×”位置)。如果超聲波從正弦狀態(tài)升級(jí)到緩慢的連續(xù)曲線，從而導(dǎo)致頻率低，則接收回路中的錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致圖5中“×”的位置沿時(shí)間軸偏移，從而降低計(jì)時(shí)精度。要提高計(jì)時(shí)精度，必須選擇高頻轉(zhuǎn)換器，但頻率過(guò)高會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的困難。頻率通常根據(jù)管道直徑選擇，并選擇高頻轉(zhuǎn)換器，而不是選擇直徑較大的低頻轉(zhuǎn)換器。頻率范圍通常為0.5到2MHz。

　　根據(jù)本論文的分析，入射角為30的轉(zhuǎn)換器適用于透射率高、能量損失低、激發(fā)電壓小、使用交流電源不方便的便攜式超聲波流量計(jì)。入射角為45°的轉(zhuǎn)換器，透射率小，但可以增加轉(zhuǎn)換器晶片的大小，提高激勵(lì)電壓，非常適合于固定式或可使用交流電源的便攜式轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器的頻率應(yīng)根據(jù)管道直徑選擇，大直徑應(yīng)選擇低頻率，反之亦然。