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1、JOU RN A L O F SH IJ IA ZHU A N G RA ILW A Y IN ST ITU T E2000 年 3 月 M a r. 2000超 声 波 流 量 计 探 头 参 数 的 选 择李夏青( 石 家 庄 铁 道 学 院 电 子 工 程 系 石 家 庄 050043)【 摘 要】 以 时 差 法 为 例, 分 析 了 超 声 波 探 头 中 超 声 射 线 入 射 角 及 振 荡 频 率 对 测 量 精 度 的 影响, 给出了探头的选择原则 。【 关键词】 超声波流量计 探头参数 测量【 分类号】 T H 814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
2、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探头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 , 超声波探头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探头的结构和波型转换 、 谐振频率等问题结合作者的一些实验体会作些探讨 。时 差 法 超 声 波 流 量 计 测 量 原 理1时差法超声波流量计测量流量的原理就是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 为超声波探
3、头, 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D / s in + (1)t1 = c2 + u co sD / s in + (2)t2 = c2 - u co s式 中 D 为 管 径 ; 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 ; 为 超声波在声导和管壁中传播时间与电路延迟时间之和 。设顺流和逆流时的 相同, 且 c2 u 2 , 则 图 1 探头中超声波型的转换
4、22D co t时差 t= t2 - t1 = ( )u 3c222c2 tan 流速只要测出时差 t, 即可得到流体速度 u。(4)u = t2D收 稿 日 期 1999207209 李 夏 青 男 1956 年 7 月 出 生 副 教 授第 1 期 李夏青 : 超声波流量计探 头 参 数 的 选 择 47探 头 结 构 与 波 形 转 换 问 题2由图 1 可见, 在第一折射面处, 以 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 。 为提高探头接收信号的选择性,
5、 一般选取入射角 大于第一临界角而小于第二临界角, 以 保 证 仅 一束超声波被探头接收 。 若管道为钢管, 探头用有机玻璃作为声导, 一般选取 2817 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 14, 由 图 1 可 得 , = 90- , 结 合 公 式 (3) 可 知 , 在 此 情 况 下 t 将 减 小 , 因 此 要 获 得 一 定 的 测量精度必须提高电
6、路的测时精度, 例如 D = 25mm 的 图 3 钢水界面横波声压反射率与横波入射角的关系管道, 其电路测时精度应在纳秒 (n s) 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 , 可能被探头同时接收 , 影响测量精度 。 对壁厚为4mm 、 直 径 为 25mm 的 钢 管 做 实 验 , 结 果 表 明, 入 射 角 为 30、 晶 片 直 径 大 于 30mm 的 探 头 难 以 实 现 接 收 一 束 波 的 目 的, 因此应
7、适当减小探头晶片尺寸 。 虽然探头晶 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 探 头 的 接 收 信 号 ( 实 验 表 明, 入 射 角 为30, 晶 片 直 径 为 20mm 的 探 头 , 其 接 收 信 号 远 大 于 入 射 角 为图 4 V 法波形转换图 45, 晶片直径为 30mm 探头的接收信 号 )。 由 于 入 射 角 为 30的 探 头 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 探 头 , 由 于
8、透 射 率 较 小 , 可 采用提高激励电压来提高接收信号强度 。石 家 庄 铁 道 学 院 学 报 第 13 卷48超 声 探 头 振 荡 频 率 的 选 择3超 声 波 流 量 计 的 发 射 探 头 , 一 般 采 用 脉 冲 方 式 激 励, 一 旦 超 声 探 头 受 脉 冲 激 励 后 , 探 头 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
9、 计 时 截 止 的关 门脉冲 (如图 5 中的 “x ”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 “x ”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 探 头, 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 低频探头 , 反之选择高频探头 , 其频率范围一般为 015M H z 2M H z。结 论
10、4图 5 关门脉冲示意图由 本 文 的 分 析 可 知 , 入 射 角 为 30的 探 头 , 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的探头 , 其透射率较小, 但可以增大探头晶片尺寸 , 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 。 探头的频率应根据管 径来选择 , 大管径应选则低频 , 反之选高频 。参 考 文 献1 应崇福 . 超声学 . 北京 : 科学出版社, 1993. 249 2522 同济大学声学研究室 . 超声工业测量技术 . 上海 : 上海人民出版社 , 1997. 19
11、 213 云庆华 . 无损探伤 . 北京 : 劳动出版社, 1983. 204 2304 约瑟夫 , 保曼 (美国康创公司 ). 钳式时差超声波流量计 990L D 检漏系统 . 油气储运 , 1995, (2) : 32 38Param e ter O p t ion of U ltra son ic Sen sorL i X ia q in g(D ep a r tm en t o f E lec t ro n ic E ng inee r ing, Sh ijiazh uang R a ilw ay In st itu te, Sh ijiazh uang 050043)【 A bstr
12、a c t】 T h is p ap e r an a lyze s th e in f lu en ce o f in c iden ce an d o sc illa t io n f requ en cy o fsen so r o n m ea su r in g accu racy. T h e op t io n p r in c ip le o f u lt ra so n ic sen so r is p re sen ted.【 Key word s】 u lt ra so n ic f low m e te r u lt ra so n ic sen so ru lt ra so n ic(责任编辑 张士瑛 )
