超聲波熱量表的頻差法流量測量原理

王天際 郭曉冬 勾曉東

【摘要】隨著分戶供暖和按熱量收費的發(fā)展趨勢，超聲波熱量表以壓損小、精度高、壽命長、抗干擾強等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。目前，國內(nèi)外超聲波熱量表大都采用時差法測量，但由于時差法所能獲得的時間差值非常微小，如果要保證全量程流速范圍內(nèi)的測量精度，就必須要求時間測量的分辨率達到皮秒級，對于元器件的性能要求很高，提高小流量的測量精度非常困難，為了解決微小時間差的測量瓶頸，采用頻差法測量技術(shù)能夠很好的解決。

【關(guān)鍵詞】頻差法 超聲波

1時差法流量測量原理

時差法是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法。如圖1，順流換能器和逆流換能器分別安裝在流體管的兩側(cè)并相距一定距離，管線的內(nèi)直徑為D，超聲波通過的路徑長度為L。

超聲波順流傳播時間為td，逆流傳播時間為tu，超聲波的傳播方向與流體的流動方向加角為θ。由于流體流動的原因，超聲波順流傳播L長度的距離所用的時間比逆流傳播所用的時間短，其時間差可用下式表示：

其中：c是超聲波在非流動介質(zhì)中的聲速，V是流體介質(zhì)的流動速度，tu和td之間的差Δt為

式中X是兩個換能器在管線方向上的間距，為了簡化，我們假設(shè)，流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個小量。即：

上式簡化為：

即，流體的速度為：

流量Q可以表示為：

由此可見，時差法的測量精度主要取決于對微小時差Δt的分辨率，即納秒級的時標(biāo)，所以時差法的測量精度受到許多方面的制約，小流量測量精度難以保證和提高。

2頻差法測量流量原理

頻差法超聲波流速測量是采用一種回波鳴環(huán)技術(shù)，在流體中產(chǎn)生兩個超聲波傳播方向不同的鳴環(huán)頻率，分別稱為順流鳴環(huán)頻率ft1和逆流鳴環(huán)頻率ft2。在靜止流體中，ft1=ft2，而在流體流動時，ft1與ft2之間產(chǎn)生頻率差△ft，而△ft正比于流體流速。

在順流方向，超聲波的鳴環(huán)頻率ft1為

在逆流方向，超聲波的鳴環(huán)頻率ft2為

式中，c為超聲波在流體中傳播速度，稱為聲速，在流體溫度20°C時，聲速c為1482.3m/s；v為流體流速；θ為聲線與管道中心軸線之間的夾角，它與超聲波入射角有關(guān)，L為超聲波在固體和流體中的傳播距離。

則頻率差為

由以上公式可以看出，當(dāng)兩個超聲波換能器安裝位置一定時，L和θ也就確定，流速v僅與Δft有關(guān)，而與聲速c無關(guān)。

根據(jù)頻差法測量原理，在靜止流體中，v=0時，聲傳播鳴環(huán)頻率為ft1=ft2=c/L=ft0。在流體流動時，順流與逆流的鳴環(huán)頻率差正比于流體流速，被測流體流速v為

為了滿足在低流速下的流量測量精度，應(yīng)使測量頻差的數(shù)目達到足夠大，頻差法可以采用鎖相倍頻技術(shù)，以使測量的頻差擴大到N倍，這相當(dāng)于提高了小流量時的測量精度。

3頻差法測量流量的實現(xiàn)方法

在啟動超聲波測量之前，超聲波發(fā)射和接收回路處于休眠狀態(tài)。一旦收到外部啟動信號，由內(nèi)部單片機發(fā)出一個啟動脈沖，并通過同步觸發(fā)電路激活超聲波發(fā)射器產(chǎn)生第一次發(fā)射。發(fā)射脈沖通過流體傳播到達接收器并輸出回波信號，經(jīng)回波檢測和整形后，將回波脈沖反饋回同步觸發(fā)器，以使發(fā)射器產(chǎn)生第二次發(fā)射，接收器接收的第二個回波脈沖再次反饋回發(fā)射端。這樣周而復(fù)始，不斷發(fā)射、接收和回波反饋，從而在發(fā)射和接收回路上建立連續(xù)的的回波脈沖循環(huán)。

4頻差法測量流量的技術(shù)特征

頻差法測量使用的回波鳴環(huán)技術(shù)是一種聲波反饋技術(shù)，它是在超聲波傳播路徑上，經(jīng)過聲波發(fā)射→流體傳播→回波接收→再將回波反饋給發(fā)射，周而復(fù)始地建立聲脈沖循環(huán)回路，由此產(chǎn)生連續(xù)的回波鳴環(huán)頻率，當(dāng)超聲波在順流體方向傳播時，回波鳴環(huán)頻率為f1，而在逆流體方向傳播時，回波鳴環(huán)頻率為f2，兩者之間的頻率差為Δf。

在流體流動時，超聲波的傳播時間會隨著流速變化增加或減小，把這種時間變化轉(zhuǎn)換成頻率變化，通過對頻率差的測量就可以確定流體流速。這與時差法測量時間是等效的，但這兩種測量方法對流速的分辨率和測量精度確有很大不同。

（1）頻差法測量的是頻率，而測量頻差的最小單位是赫茲，這在頻率測量中很容易實現(xiàn)。而時差法測量時差的最小單位是皮秒，要保證1ps的測量精度，在時間測量技術(shù)中很難實現(xiàn)。

（2）在流體流速相同的情況下，頻率法測量的Δf值要遠(yuǎn)高于時差法測量的Δt值，所以頻率法測量流速的分辨率要遠(yuǎn)高于時差法。

（3）因為頻差法采用成熟的鎖相倍頻技術(shù)，要想提高小流速下的測量精度很容易實現(xiàn)，這是頻差法的一大技術(shù)特征。而時差法只能依靠的提高時標(biāo)精度已經(jīng)到了極限，很難再提高。

（4）頻差法測量不需要對溫度進行修正，這是因為測量的頻差與聲速c的變化無關(guān)。而時差法測量流速受流體溫度影響較大，需要對時差進行溫度修正。

綜上所述，超聲波頻差法測量流量具有眾多優(yōu)點，是時差法無法比擬的。雖然頻差法也有測量電路比較復(fù)雜，功耗偏大，成本偏高等缺點，但隨著高精度熱能表市場需求的不斷擴大，超聲波頻差法熱量表的優(yōu)勢將會得到更多關(guān)注。