流量测量方法和仪表的种类繁多，分类方法也很多。迄今为止，可供工业用的流量仪表种类达60余种，品种如此之多的原因就在于至今还没找到一种对任何流体、任何量程、任何流动状态以及任何使用条件都适用的流量仪表。这60余种流量仪表，每种产品都有它特定的适用性，也都有它的局限性。本文通过对超声流量计传播时间法原理的分析，找出测量时间差所存在的问题，提出了新的测量方法——环鸣法的研究方向。

    一、传播时间法基本原理

    封闭管道用超声波流量计按其测量原理分类有传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法等。

    本文将详细介绍传播时间法。超声波在流体中传播时，与声波在静止流体中传播的速度相比，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则会减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播时间之差与被测流体流速之间的关系求得流速，称之传播时间法。通过接收穿过流体的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据时差的表现形式不同可以分为时差法、相位差法和频差法。

    如图1所示，两个换能器固定在输液管道的同一侧，声波从换能器T1发出。经过输液管道另一侧的内壁，反射到接收换能器T2。两个换能器也可以固定在输液管道的上下两侧，声波由换能器T1发出，直接传播到换能器T2。如图1所示，换能器T1、T2是安放在输液管道的同一侧的。发射和接收的振子，密封在换能器的腔体里，其辐射面与端面成一个角度（θ1），腔体里用透声材料填充。由于换能器中的填充材料、管道的材料、管道中流体的材料不同，它们的声速也不同，因此，声波传播到介质表面处将有折射（例如折射角θ2、θ3）。流量计在工作时，换能器T1、T2是轮流做发射和接收的。因为管中的液体是流动的，声波由T1传到T2（正程）再由T2传到T1（逆程）的传播时间是不相同的。正程、逆程两个传播时间的差反映着液体的流速、流量。

    以换能器T1为例。声波由A到B再传到C，在这一段声的传播过程中，因为没有流体参与，传播时间是固定不变的。在这里，把声波在换能器填料、管壁中传播时间记为t延。在寻找“正程”、“逆程”之间的时间差时，不必考虑这些不变的量（t延），只考虑在液体中传播的正程、逆程的传播时间差就可以了。由于工艺和测量环境的不同，两个换能器的t延也有所不同，在计算流量的时候，这个时间差应该去掉。

图1 时差式流量计工作模型    

    设D——输液导管内径、D——壁厚、υ流——液体流动速度、υ介——液体的声速、θ3——折射角、t正——声波由T1到T2的传播时间、t逆——声波由T2到T1的传播时间。    

    用图1所示的声学模型不难得到如下公式：

    

    由上述推导可以看出，只要得到t正和t逆，管道中的液体流速v就可以算出。时间差法与频率差法和相关差法间原理方程式的基本关系为

    

    式中：Δf——频率差；Δφ——相位差；f正、f逆——超声波在流体中顺流和逆流的传播频率；f——超声波的频率。

    从中可以看出，相位差法本质上和时差法是相同的，而频率与时间又互为倒数关系，三种方法没有本质的区别。

    二、普通方法测量时间差存在的问题分析

    从传播时间差法的基本原理公式的推导中，可以知道运用传播时间测流量时，最关键的测量量就是顺逆流传播时间差。不管是时间差法、频差法，还是相位差法，这个量都是必须准确测量的，只有精确得到这个时间差，流量才能由其导出。

    对于小口径、低流速的情况，顺逆流的时差非常短，典型最大流量对应的时差仅约20ns，精确测量难度很大。为了说明这个问题，下面我们以细管径、小流量的情况为例进行证明，先假设一些小流量的数量，粗略地了解一下这些参数的数量级概念。时差式流量计工作模型如图1所示。

    假设：D=6mm、d=2mm、υ=1500m/s、υ管=3000m/s、υ流=0.01m/s（假设这个值就是流量计能够测量的最小液体流动速度）、θ3=45°、θ1=θ3、换能器的辐射面距离端面15mm。将这些数据代入时间差法公式中，可以得到如下结果：

    声波在AB段传播时间t1=14.14μs

    声波在BC段传播时间t2=0.95μs    

    声波在CD段传播时间t3=5.66μs

    T1到T2发收总时间t正≈t逆=2（t1+t2+t3）=41.5μs

    t正和t逆的差Δtmin=0.107ns

    从以上计算结果来看，声波从发射到接收，一次需要的总时间大约是42μs左右，那么得到一个流量数据的时间大约是84μs左右。顺逆流时间差Δtmin的值非常小，只有0.1ns，实际中没有办法测量到它。如果测量方法粗放，这个很小的时间量很可能被淹没在测量的误差之中。由此可见，这种单次的测量方法几乎无法实现所需测量。那么要怎样做才能测量得到这个很小的时间量，并使其尽可能精确呢？这个问题就是本文要研究的环鸣法的关键所在。

    三、环鸣法的设计确定

    1．环鸣法的产生及总方框图

    为了解决时间差值太小的问题，我们想到如果这个量能够增大，大到我们现有的条件可以测量到它的程度，那么这个问题就迎刃而解了。基于这样的思想可知，再小的量如果可以让其不断积累，那么总体值就会增大，得到这个总量后，再作平均即可。如何得到这样累积后的值呢？经过研究和论证，于是就产生了测量时间差的新方法——环鸣法。总方框图如图2所示。

图2 环鸣法总方框图

    下面具体说明“环鸣”方案是如何解决测量微小时差问题的：

    我们单次测量误差很大，时间量又极小，在新方案中我们要利用多次测量来解决这个问题。具体的做法如下：当换能器T1发射声信号，T2接收声信号时，在T2收到信号的时刻，令T1马上下次发射声信号，而T2再次接收，这样如此循环往复发射、接收N次。我们可以通过测量记录下N次测量的总时间∑t正。然后，再令T2发射，T1接收。当T1接收信号时，马上让T2再次发射，再经过N次如此循环就可得到逆向发射总时间∑t逆。这时让顺逆流的两个总的时间作差，于是就可以得到总时间差∑Δt。∑Δt这个量是经过N次累加得到的，比起单次测量时，它已经扩大了2N倍。由测量带来的误差经过了N次累加后，其均值则向零靠近，使得测量准确度提高了倍。举例来看：如果N=10000，∑t正+∑t逆量级大约就是840ns，即不到1s就可以提供1个流量数据。Δtmin的值在增加了10000倍后，其数据是20ns，这时这个值就好测量多了，从而能最终得到想要的流量数据。

    由以上分析可以看出，按照设计环鸣法的思想，在理论上是能够解决由于时间差微小所带来的无法测量或是误差较大的难题。

    2．环鸣法在实现时要解决的几个重要问题

    （1）精确捕捉计时点

    新测量方法按其特点称之为“环鸣”方案，我们用具有半个周期的正弦脉冲去激励换能器。由于换能器是一个窄带系统，在电脉冲的激励，发射和接收的声信号都应该是较短的、有正弦填充的、具有钟形包络的脉冲信号，如图2所示。由于我们选用的是冲击信号作发射源，信号持续时间短，因此决定了新测量方法比较适合细管径的输液管道的测量。

    正弦函数在过零点处斜率最大。如果把回波的某个正弦周期的过零点检测出来，回波时间的测量准确度就极大地提高了。要实现这个准确测量，在总方框图中已经有相应的设计，从图2中可知，过零点的检测电路是由过零比较器、电平比较器、单稳电路、与门电路等组成的。其波形和信号之间的逻辑关系在图2上可以清楚地看到。

    （2）信号门

    通过实验我们观察到，接收信号并不是只有从T1到T2在液体中传播的声信号，而且还有T1到T2沿管壁传播的声信号。在获得精确计时点时，信号通过电平比较器发送的第一个脉冲对测量是不必要的。因此，在作数字信号处理的时候，只能把电平比较器送出的第一个脉冲放行，其他信号将被信号门过滤掉。不同管径的输液管道，声信号的传播时间是不相同的，因此，信号门的位置也是不相同的。在设计中，采用了信号门计数器，用数据装订的办法，改变信号门的位置。从总框图中可以看到，信号门电路是由可预置的同步计数器、RS触发器等电路组成的。由发射同步信号触发RS触发器使它置0，封锁其后的脉冲，然后由计数器的进位脉冲在信号到来之前，将RS触发器置1，开门等待接收信号。

    （3）计时电路

    计时电路是由时间计数器、计次计数器、RS触发器与门等电路组成的。发射同步信号是计时、计次的核心。第一个发射同步信号经过或门触发器单稳1得到的发射同步信号触发器RS触发器，使其变为1状态，打开与门，使时钟通过，时间计数器计时开始。以后的发射都是由接收机收到的信号触发，这时流量计进“环鸣”状态。每发射一次，计数器的数值都要加1。当计数值达到N+1时（实际上只有N次测量），计次计数器发出1个进位信号，使RS触发器置于零状态，封锁了与门，时钟不能通过，时间计数器停止计数。利用这个进位脉冲还把测得的时间存放到数据锁存器中去。

    在RS触发器零状态期间，计算机要做以下工作。发送测时间数据信号，读取“正程”计时数据；发送漏计时数据信号，读取漏计时数据；发送收发转换信号，使流量计从“正程”工作状态转为“逆程”工作状态。做完之后，计算机还要发送装载清零信号把N值重新装载到测次计数器中，使进位脉冲下跳归零，同“正程”一样，又进入“逆程”的“环鸣”测时之中。

    在“环鸣”过程中，是不希望由于某种意外使“环鸣”中断的。如果发生这种情况，仪器应该能够自动恢复到“环鸣”状态之中去。否则，流量计将“死机”。这个系统由漏收计数器、漏收次计次器、单稳1等电路组成。漏收计时器是一个可预置的同步计数器。计数器记到全1之后，将发出进位脉冲。计数器设定的数值应大于“环鸣”周期，例如选在1.5倍。这个进位脉冲，一路送到或门去触发单稳1，使丢失的发射同步信号重新出现；另一路送到漏收计次器，记下对计时无用的漏计时间。在正常情况下，由于漏收计时器的计数长度比环鸣周期长，所以漏收计时器不会有进位脉冲输出，只有在接收机没有收到信号的情况下，才会有进位脉冲输出。

    四、结束语

    本文重点讨论了流量计新测量方法——环鸣法的原理，结合环鸣法总框图分析了其优点和技术要点，针对技术要点作了比较详细的论证说明，从而确定了环鸣法的研究方向。

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