基于传播时间法的时差式超声流量计设计

　　超声流量计

　　超声流量计是通过检测流体流动对超声束或超声脉冲的作用来测量流量的仪表。对封闭管道用超声流量计来说，按其测量原理可分为传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法等。

　　本文采用传播时间法。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，称为传播时间差法。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，又可以分为时差法、相位差法和频差法。时差式流量计工作模型如图1所示。

　　图1中，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。发射和接收声波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。由于换能器中填充材料、管道材料、管道中流体材料的不同，它们的声速也不同，因此声波传播到介面处会有折射。这里假设折射角为θ2、θ3。流量计在工作时，换能器T1、T2轮流做发射和接收。因为管中的液体是流动的，声波由T1传到T2(正程)和由T2传到T1(逆程)的传播时间是不同的。正程、逆程两个传播时间的差反映出液体的流速、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。在寻找正程与逆程之间的时间差时，不必考虑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。

　　这里，设D为输液导管内径;d为壁厚;V流为液体流动速度;V介为液体的声速;θ3为折射角;t正为声波由T1到T2的传播时间;t逆为声波由T2到T1的传播时间。

　　用声学模型可得如下公式：

　　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。时差法与频差法和相位差法之间原理方程式的基本关系为：

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

　　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。

　　普通方法测量时间差