[導(dǎo)讀] 超聲波流量計(jì)是一種利用超聲波來(lái)測(cè)量流體流量的速度式流量?jī)x表，它從80年代開始進(jìn)入我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量領(lǐng)域，并在90年代得到迅速發(fā)展。本文對(duì)我國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常用的時(shí)差式超聲波流量計(jì)的工作原理進(jìn)行分析，得出了計(jì)量精度提高的關(guān)鍵和具體方法。
1 時(shí)差式超聲波流量計(jì)
目前的工業(yè)流量測(cè)量普遍存在著大管徑、大流量測(cè)量困難的問題，這是因?yàn)橐话懔髁坑?jì)隨著測(cè)量管徑的增大會(huì)帶來(lái)制造和運(yùn)輸上的困難，存在造價(jià)提高、能損加大、安裝不便等缺點(diǎn)。各類超聲波流量計(jì)均可管外安裝、非接觸測(cè)流。根據(jù)工作原理的不同，超聲波流量計(jì)分為多譜勒式超聲波流量計(jì)和時(shí)差式超聲波流量計(jì)兩種。多譜勒式超聲波流量計(jì)只能用于測(cè)量含有適量能反射超聲波信號(hào)的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜質(zhì)含量穩(wěn)定的工廠過程液等。目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣泛的是時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它主要用來(lái)測(cè)量潔凈的流體流量，在自來(lái)水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測(cè)量雜質(zhì)含量不高（雜質(zhì)含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體。
2 時(shí)差式超聲波流量計(jì)的工作原理
如果超聲波在靜水中的傳播速度為V，而當(dāng)水的流速為V0時(shí)，超聲波順?biāo)畟鞑ニ俣茸兛欤琕1=V0+Vcosθ；逆水傳播速度變慢，V2=V0-Vcosθ。如果在管徑為d的水管壁的A、B兩點(diǎn)放置兩個(gè)超聲波探頭，A、B探頭均能發(fā)射和接收超聲波，如圖1。這樣由A發(fā)射，B來(lái)接收，從發(fā)射到接收的時(shí)間為t1；由B發(fā)射，A來(lái)接收，從發(fā)射到接收的時(shí)間為t2。由于順?biāo)湍嫠l(fā)射與接收的距離相等，這樣：
圖1 時(shí)差式超聲波流量計(jì)工作原理
得到水流速：
所以管中的水流量為：
其中t為測(cè)量時(shí)間。流量的精度在原理中可以看到，水流速V的精度是流量精度的關(guān)鍵，而V的精度又是以t1、t2的測(cè)量精度為基礎(chǔ)的，t1、t2的測(cè)量一般用MCS-51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。MCS-51單片機(jī)內(nèi)有兩個(gè)定時(shí)器T1、T2，可以用來(lái)計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)脈沖周期為T，如圖2（如果晶振是12MHz，T為一個(gè)機(jī)器周期，也就是1μs）。
所以：
圖2 單片機(jī)計(jì)時(shí)原理
發(fā)射超聲波和計(jì)時(shí)的開始是由單片機(jī)控制的，但接收到超聲波時(shí)一般并不正好是整數(shù)個(gè)計(jì)時(shí)脈沖，這樣t1（t2）的最大誤差為T，T為μs數(shù)量級(jí)時(shí)間，這樣V的誤差會(huì)很小，但是（t1-t2）一般也為μs級(jí)，尤其在水流速V比較小時(shí)，t1-t2很小，誤差T就顯得很大。這就造成流量精度不是很高。當(dāng)然我們可以用提高單片機(jī)晶振或者換高級(jí)的單片機(jī)的方法來(lái)減小T。但提高單片機(jī)晶振是有一定限度的，能不能在不提高晶振的前提下提高t1（t2）的精度呢？
3 時(shí)差式超聲波流量計(jì)精度的提高
我們可以用一個(gè)同樣精度的壓控振蕩器來(lái)代替原來(lái)的固定晶振，這樣就可以通過電壓控制晶振的頻率。我們對(duì)晶振的頻率微調(diào)，也就是T可以微調(diào)，使計(jì)時(shí)時(shí)間t1（t2）正好是T的整數(shù)倍（如圖3），這樣就幾乎沒有誤差了。
圖3 可變晶振單片機(jī)計(jì)時(shí)原理
當(dāng)然晶振的頻率微調(diào)是要靠電壓的連續(xù)調(diào)整進(jìn)行的，這在實(shí)際的測(cè)量中不可能實(shí)現(xiàn)。實(shí)際晶振的頻率只能步進(jìn)式地進(jìn)行m次（比如6次）微調(diào)，即以不同的計(jì)時(shí)脈沖T進(jìn)行m次測(cè)量。但這樣計(jì)時(shí)時(shí)間t1（t2）就不一定正好是T的整數(shù)倍，同時(shí)我們可以知道m(xù)次測(cè)量中最小的一個(gè)t1（t2）是誤差最小。進(jìn)行m次測(cè)量大大增加了測(cè)量周期，但卻大大提高了測(cè)量的精度。如圖4。
圖4 測(cè)量t1（t2）程序流程
4 結(jié)語(yǔ)
時(shí)差式超聲波流量計(jì)具有原理清楚、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、運(yùn)行穩(wěn)定、重復(fù)性精度高、耐磨損、免維護(hù)、無(wú)附加阻力損失、運(yùn)行費(fèi)用低等特點(diǎn)，屬于節(jié)能型流量測(cè)量裝置。傳感器可直接安裝，從根本上解決了跑冒滴漏的問題。時(shí)差式超聲波流量計(jì)對(duì)直管段相對(duì)要求不嚴(yán)格，對(duì)介質(zhì)、環(huán)境、管徑、流速的適應(yīng)范圍廣。時(shí)差式超聲波流量計(jì)越來(lái)越得到業(yè)內(nèi)人士的認(rèn)可，使用范圍越來(lái)越廣，其前景不可限量。我們?cè)敢鉃檫M(jìn)一步改善、發(fā)展、推廣這種頗有前途的流量測(cè)量裝置而貢獻(xiàn)一份力量。經(jīng)過上述方法的改進(jìn)，時(shí)差式超聲波流量計(jì)的精度得到提高，其前景會(huì)更加光明。這種計(jì)時(shí)方法也可用在其他測(cè)量變化不快的實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)上。
參考文獻(xiàn)
[1]李全利.單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2000.
[2]穆蘭.單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.
[3]張冠百.鎖相與頻率合成[M].北京：電子工業(yè)出版社，1995.
[4]黃摯雄.超聲波流量計(jì)的發(fā)展與應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀表，1998（3）.