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、抗干擾強等優點得到廣泛應用。目前，國內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能夠很好的解決。

【關鍵詞】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）收發超聲波，通過觀測超聲波在介質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并相距一定距離，管線的內直徑為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中的聲速，V是流體介質的流動速度，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，流體的流速和超聲波在介質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，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技術，在流體中產生兩個超聲波傳播方向不同的鳴環頻率，分別稱為順流鳴環頻率ft1和逆流鳴環頻率ft2。在靜止流體中，ft1=ft2，而在流體流動時，ft1與ft2之間產生頻率差△ft，而△ft正比于流體流速。

在順流方向，超聲波的鳴環頻率ft1為

在逆流方向，超聲波的鳴環頻率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，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，而與聲速c無關。

根據頻差法測量原理，在靜止流體中，v=0時，聲傳播鳴環頻率為ft1=ft2=c/L=ft0。在流體流動時，順流與逆流的鳴環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，應使測量頻差的數目達到足夠大，頻差法可以采用鎖相倍頻技術，以使測量的頻差擴大到N倍，這相當于提高了小流量時的測量精度。

3頻差法測量流量的實現方法

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

4頻差法測量流量的技術特征

頻差法測量使用的回波鳴環技術是一種聲波反饋技術，它是在超聲波傳播路徑上，經過聲波發射→流體傳播→回波接收→再將回波反饋給發射，周而復始地建立聲脈沖循環回路，由此產生連續的回波鳴環頻率，當超聲波在順流體方向傳播時，回波鳴環頻率為f1，而在逆流體方向傳播時，回波鳴環頻率為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。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，在時間測量技術中很難實現。

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

（3）因為頻差法采用成熟的鎖相倍頻技術，要想提高小流速下的測量精度很容易實現，這是頻差法的一大技術特征。而時差法只能依靠的提高時標精度已經到了極限，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。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點，是時差法無法比擬的。雖然頻差法也有測量電路比較復雜，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勢將會得到更多關注。