超声波流量计换能器的入射角及振荡频率对测量

由于超声波流量计采用非接触测量方式、不受被测流体的物理性质和化学性质的影响,因而受到广泛的重视。超声波流量计一般由超声波换能器和电子电路两部分组成。在当今微电子技术空前发展的时代,设计并制作出高精度的测量电路、利用单片机实现信号的分析处理是非常容易的事情。因此为获得所要求的测量精度,超声波换能器的设计和选择就显得非常重要了。本文拟就时差法超声波流量计换能器的结构和波型转换、谐振频率等问题,结合作者的一些实验体会作些探讨。

2 时差法超声波流量计测量原理

利用超声波束在流动液体中顺流和逆流传播所用时间不同来测量流量的,如图1所示。F、J为超声波换能器,交替发射和接收超声波。设顺流时超声波传播的时间为t1,逆流时超声波传播的时间为t2,则

式中:D为管径;θ为超声波射线与管道轴线之间的夹角; u为流体的平均流速; c2为超声波在流体中的传播速度;τ为超声波在声导和管壁中的传播时间与电路延迟时间之和。

只要测出时差,即可得到流体速度u.

3 换能器结构与波形转换问题

由图1可见,在第一折射面处,以α为入射角的超声纵波将在管壁产生纵波和横波两种波形。在管壁和流体界面处,两种波形均转换成两束纵波在流体中传播,这两束纵波将在对面管壁转换成两束纵波和两束横波。为提高换能器接收信号的选择性,一般选取入射角α大于第一临界角而小于第二临界角,以保证仅一束超声波被换能器接收。若管道为钢管,换能器用有机玻璃作为声导,一般选取28.7°<α< 60°。在上述讨论中仅考虑了超声波在遇到界面时折射波的方向问题,并未考虑入射波和折射波的声压问题,实际上斜入射时,特别是在产生波形转换的情况下,反射波及折射波声压分配是随入射波型和入射角的变化而改变,同时还与界面两侧的介质性质有关,在两种不同介质分界面处(见图2),

式中:Z1、Z2为介质1、2的声阻抗,Z与介质密度和介质声速有关;α、β为入射角和折射角; pm、p1m、p2m为入射波、反射波、折射波的声压幅值,p1m+pm=p2m.

由于B、R与Z有关,其理论计算比较复杂,故多采用实测方法,图3为钢/水界面横波斜入射情况时横波声压反射率与横波入射角的关系曲线。从图3可见当钢中横波入射角αs在30°左右时,声压反射率R值最小,约为15%,由于B+R=1,声压透射率B最大。

在αs>40°之后,R基本维持在90%左右。由此可见,欲提高超声波束从管壁到液体的透射率,则应使超声波束在钢管壁内的入射角保持在30°左右,但此时超声波在液体中的折射角β≈14°,由图1可得,θ=90°-β,结合公式(3)可知,在此情况下Δt将减小,因此要获得一定的测量精度必须提高电路的测时精度,例如D=25mm的管道,其电路测时精度应在纳秒(ns)级,这对于当代电子技术是可以实现的。应该指出,当入射角在30°左右且管壁较薄时,被管壁反射的两束波(图4中的1、2两束波)间距较小,可能被换能器同时接收,影响测量精度。对壁厚为4mm、直径为25mm的钢管做过实验,所做实验表明,入射角为30°、晶片直径大于30mm的换能器难以实现接收一束波的目的,因此应适当减小换能器晶片尺寸。虽然换能器晶片尺寸减小将导致发射信号的减小,但由于透射率处于最大值,接收信号远大于入射角为45°,大晶片换能器的接收信号(实验表明,入射角为30°,晶片直径为20mm的换能器,其接收信号远大于入射角为45°,晶片直径为30mm换能器的接收信号)。由于入射角为30°的换能器透射率大,能量损失小,因此激励电压可以减小。对于入射角为45°的换能器,由于透射率较小,可采用提高激励电压来提高接收信号强度。

4 超声换能器振荡频率的选择

超声波流量计的发射换能器,一般采用脉冲方式激励,一旦超声换能器受脉冲激励后,换能器的压电陶瓷将按自身的固有频率振荡并辐射超声波。压电陶瓷的固有频率对于流量测量具有重要影响。一般接收到的超声波为一束波(如图5所示),为提高测时精度,往往选取其顺流发射和逆流发射情况下的某个波的上升沿作为计时截止的关门脉冲(如图5中的“×”位置)。由于超声波为一正弦波,其上升为一缓慢的连续曲线,这样当频率较低时,由于接收电路的误差将造成图5中“×”的位置沿时间轴偏移,导致计时精度降低。为提高计时精度,应选择高频率换能器,但频率太高将增加电路设计的困难。频率一般根据管径来选择,管径较大选择低频换能器,反之选择高频换能器,其频率范围一般为0.5~2MHz.

由文中的分析可知,入射角为30°的换能器,由于透射率较大,能量损失小,激励电压小,适用于不便使用交流电源的手持式超声波流量计。入射角为45°的换能器,其透射率较小,但可增大换能器晶片尺寸,提高激励电压,适用于固定式或可以使用交流电源的便携式。换能器的频率应根据管径来选择,大管径应选则低频,反之选高频。