超声波流量计分类方法很多，根据对信号的检测原理不同分为：传播时差法、多普勒法、波束偏移法及流动超声法等，其中传播时差法应用最广泛，又可细分为直接时差法、相位差法和频差法。随着超声技术的不断进步，要求超声波流量计向着低功耗、低成本、高精度的方向发展。本文简要介绍直接时差法超声波流量计的测量原理，并详细介绍了应用于此超声波流量计的发射电路的设计。

    1 测量原理

    简单地说，超声波传播时差法以测量声波在流动介质中传播的时间与流量的关系为原理，超声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度（Cf）和流体轴向平均流速（vm）在声波传播方向上的分量组成，如图1所示。

图1 测量原理图

    按图所示，顺流和逆流传播时间与各量之间的关系是：

       （1）

    式中：tup为声波在流体中逆流传播的时间；tdown是超声波在流体中顺流传播的时间；L为声道长度；cf是声波在流体中传播的速度；vm为流体的轴向平均流速；Φ是声道角；D为管道直径；S为管道截面积。由式（1）得出流体流速的表达式：    

       （2）

    当c时，由式（2）可得：

       （3）

    因为流量

       （4）

       （5）

       （6）

    所以

       （7）

    由式（7）可以看出，只要能精确测量出tdown和tup，即可计算出准确的流量。

    2 发射电路设计

    目前我公司自行研制开发的时差法超声波液体流量计系统结构主要以低功耗单片机为系统的核心，实现发射、接收、信号处理等各项功能。通过对式（7）误差分析发现有如下误差：声道长度测量误差，声道角测量误差，半径测量误差，这些误差可以通过使用高精度的测量仪器来降低到最小；此外声波液体流量计系统中发射电路、接收电路和数字部分计时电路均能引起tdown和tup误差，如何降低这些误差是流量计设计的关键，以下主要介绍发射电路减小误差提高精度的设计。

    现有的超声波液体流量计的发射电路主要有两种：一种为多脉冲发射电路，一种为高压窄带脉冲的发射电路。由于多脉冲发射电路发射能量不集中，造成首波幅度较小，信噪比较差，使接收电路及信号处理方法复杂化，不利于成本控制。目前我公司自行研制开发的时差法超声波液体流量计使用的为高压窄带脉冲的发射电路。

    由于传播距离的限制，接收换能器接收到的信号电压幅值一般只有几毫伏到几百毫伏，为了能够接收到一个有效的足够强的信号，必须有足够大的发射功率。高压窄带脉冲即激励脉冲产生方法主要分为脉冲电源激励法、电容瞬间放电法和RLC谐振类方法。

    三种方案分别见图3、图4、图5所示。三种方案都由控制信号控制功率绝缘栅场效应管的开关。第一种方案当场效应管导通时直流高压直接加到超声换能器上，从而激发换能器发出超声波，而换能器的等效电阻较小，电源近似短路，流过电源的瞬间电流很大，所以对电源的过载能力要求很高，且电源损耗大，功率大，对检测精度有较大影响。

图3 脉冲电源激励电路

图4 电容瞬间放电法发射电路

图5 低压电源RLC串联谐振发射电路

    第二种当开关管Q关断时，电容C充电，由于充电过程在短时间内完成，故R1、C不可取值过大，且C耐高压。当开关管Q导通时，电容C通过R2和D2放电，在探头上产生负脉冲电压，激励产生超声信号，由于高压储能电容价格高体积大，而且需要直流高压供电，所以较少选择电容瞬间放电法。

    第三种方案中，电路以功率开关管Q2为开关元件，电感L1储能形成触发脉冲，不需要提供直流高压。Q1为控制信号驱动器件，FS1输入一个周期40ms、脉宽800µs、幅度为3.3V负脉冲控制信号，如图6所示。    

图6 脉冲控制信号FS1    

    当输入到Q2的脉冲为正时，Q2导通，Q2相当于一个小电阻，与电感L1、二极管D1串联，和低压电源一起构成回路，L1中的电流快速上升进行储能。当输入到Q2的脉冲为负时，Q2的栅极置低，Q2迅速关断，L1、C2、D3、R4组成谐振电路快速放电，在电阻R4上形成高压脉冲，可达到百伏电压，选用高频二极管D2、D3作单向开关，减少反向恢复时间，降低误差，提高精度。通过改变电阻R2阻值可控制开关管Q2的开门时间，以此来调节触发脉冲的响应时间。匹配网络由可调电阻和电感并联实现，通过调节匹配网络中的可调电阻来改变脉冲的幅度，调谐匹配电感使其电路工作在谐振频率上。经过调谐匹配后测得加在探头上的高压窄带触发脉冲H1+信号如图7所示。

图7 触发脉冲H1+

    综合以上分析，当Q2导通时，将Q2视为理想开关，其导通电阻R0，低压电源V1与L1、D1、Q2构成回路，L1电阻为RL，D1上压降为VD1，那么流过电感L1中的电流可以近似由下式表示：

       （8）

    当Q2关断时，L1、C2、R4组成串联谐振电路，RLC零输入响应，初始状态如式（9）：

        （9）

    微分方程如式（10）：

         （10）

    式（10）以i（t）为未知量的RLC串联电路放电的微分方程，特征方程是

       （11）    

    解出方程根：

    式中：为谐振频率；为阻尼比；Q是超声波换能器的品质因素。

    当ζ≥1时

    当ζ≤1时，令则

    从电流表达式可以看出，在整个过程中，波形将呈现衰减振荡的状态。根据式（12）可以得出：ωt=kπ，k=0，1，2，3……即为电流的极值点。综合上述分析要使电路产生高频尖脉冲在电路参数选择上要合理选择Q2、L1、C2参数，开关管的开启和响应时间要短，阻尼比ζ尽可能小，衰减因子δ要大，振荡频率ω要高，当频率匹配时探头工作在最佳状态。

    本方案选择IRF840（图中为Q2）作为开关管，其支持最大电流5A，最高电压500V，最大功率耗散74W，该VMOS管开关速度快，再通过改变电阻R2阻值控制开关管Q2的开门时间，保证发射信号的两路时差误差在2ns以内，大大提高了发射信号的精度，同时选用快速过饱和的驱动器件，保证VMOS管可以工作在要求的频率下。根据国家计量检定规程JJG1030-2007准确度等级为1.0的超声波流量计，其最小流速范围内允许误差为±2%，最小流速应不大于0.3m/s，假设最小流速取0.3m/s，那么根据式（3）可得2ns时差误差所产生的示值误差为

    在JJG1030-2007规定的最小流速测量误差范围内。经过长期拷机试验，所设计的发射电路两路发射启动误差在2ns以内，从而大大提高超声波流量计的测量精度。

    3 实验数据

    由于超声波流量计用到两个探头需要两路发射电路，故这里测试两路发射电路空载和接负载实验情况，按照发射电路设计连接仪器设备，静态测试数据见表1。

表1 超声波流量计静态测试数据

    注：测试环境温度19℃，水介质温度19℃，水介质密度0.9998g/cm3，V为发射电路电源电压，H1+、H2+分别为两路无负载触发脉冲，H1+'、H2+'分别为两路接负载触发脉冲，Δt为两路时差，Vout为最初接收信号首波幅度。    

    由实验数据可知，Δt在2ns以内，同时发射电路产生的无负载触发脉冲幅度约200V，接负载触发脉冲幅度150V左右，充分满足了发射电路的发射功率，提高了换能器的接收信号强度，基本上能得到一个幅值相对稳定的信号。

    4 总结

    本文介绍了时差法超声波流量计测量原理及所设计的发射电路，整个电路简单、安全、实用、体积小、成本低，在使用中只需提供低压直流电源即可获得理想的发射信号，从而提高接收信号的信噪比，并且所设计的发射电路两路发射启动误差在2ns以内，大大提高超声波流量计的测量精度。

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