兼具溫度反饋和氣體報警功能的一體化超聲流量計設計

滕世國 王祥達 李萍 郭甲

（1.乳源東陽光機械有限公司 廣東省韶關市 512721 2.韶關東陽光自動化設備有限公司 廣東省韶關市 512721）

隨著工業信息化的推進，其發展進程不斷加快。流量檢測在工業信息化發展進程中發揮著舉足輕重的作用，其技術亦不斷提高。超聲波流量計具有非接觸、檢測范圍廣、適用性好等優勢特性，逐漸在流量檢測市場占據重要地位。不過，傳統的超聲波流量計在檢測時由于聲速隨溫度的變化以及氣體摻雜到液體導致液體平均聲速減小和聲波散射，致使在實際流量檢測應用中得到的結果不夠準確。尤其在諸如智能座便器流量檢測等應用場合，水的溫度受環境以及應用需求影響會產生變化，某一溫度下的固定聲速難以滿足較為精確的流量測量的要求，也無法實時反饋水溫以便進行水溫調整。另外，隨著使用時間的增加，管道中的液體內容易摻入氣體，除了會導致液體平均聲速變化影響流量測量結果外，還容易損壞管道，帶來一定的安全隱患。為進一步提高超聲流量計的準確性，滿足更高的檢測要求，同時增強超聲流量計適用性，本文設計了一種兼具溫度反饋和氣體報警功能的一體化超聲流量計。基于目前國內外超聲波及超聲波流量計應用的研究基礎，結合聲波飛行時間、液體中聲速-溫度變化規律，并考慮氣體對平均聲速的影響，可以實現實時的流量測量、溫度反饋和氣體報警功能。

1 超聲流量計組成

圖1：超聲流量計組成示意圖

圖2：超聲流量計簡化模型圖

圖3：超聲換能器1 發射信號&超聲換能器2 接收信號

本文設計的兼具溫度反饋和氣體報警功能的一體化超聲流量計，其設計組成結構如圖1所示。該超聲流量計組成部分包括：超聲換能器1、超聲換能器2、測量管、固定蓋1、固定蓋2、密封圈1、密封圈2、進水口、出水口、連接線、控制器、顯示器、報警器。超聲換能器1 和2 分別通過固定蓋1 和2、密封圈1 和2 連接到測量管兩端，以防超聲換能器和測量管之間連接松動和漏水。液體通過進水口進入測量管，經過測量管后，從出水口流出。超聲換能器1 和2 全部通過連接線與控制器連接。超聲換能器在控制器的控制下，采用單發單收的工作模式，即其中一個超聲換能器發射信號，信號經過測量管中的液體到達另一個超聲換能器并被其接收。在一個工作周期內，控制器控制兩個超聲換能器完成兩次交替的單發單收工作模式，即完成一次超聲換能器1 發射信號、超聲換能器2 接收信號，以及一次超聲換能器2 發射信號、超聲換能器1 接收信號，超聲換能器1 和2 的所有發射和接收信號均由控制器記錄并處理。控制器將處理的實時流量測量、溫度反饋結果傳輸到顯示器上，并將氣體報警信號傳輸到報警器上。

圖4：超聲換能器2 發射信號&超聲換能器1 接收信號

圖5：T12 和T21 隨測量管中的流體聲速變化曲線

圖6：簡單模型：液體中混入空氣柱

圖7：T12 和T21 隨測量管中空氣體積占比φ 變化曲線

2 超聲流量計流量測量和溫度反饋原理

超聲流量計的基本物理模型可簡化為如圖2所示的x 軸上的一維聲波傳輸模型。測量管中的液體聲速為cf，液體的流速設為Vf，超聲換能器1 和2 之間的距離為L。

在一個工作周期內，先由超聲換能器1 發射信號、超聲換能器2 接收信號，如圖3所示，得到超聲信號飛行時間T12：

再由超聲換能器2 發射信號、超聲換能器1 接收信號，如圖4所示，得到超聲信號飛行時間T21：

通過計算可得：

鑒于液體中的聲速cf與其溫度Tf之間有明確的映射關系：

結合公式（4）以及測量管的橫截面積Sf，可計算出液體的流量Qf和溫度Tf：

3 超聲流量計氣體報警功能原理

液體中的聲速一般遠大于氣體中的聲速。若液體中摻入氣體，將會導致測量管中流體的平均聲速下降，從公式（1）和公式（2）可以看出，這會導致超聲信號飛行時間T12和T21增加。以水和空氣為例，假設溫度保持20 ℃不變，此時水和空氣中的聲速分別約為1482 m/s 和342 m/s。兩種極限情況分別是測量管中充滿液體和充滿氣體。假設超聲換能器間距L=5 cm，測量管內無論充滿何種流體，其流速Vf=5 m/s 保持不變（流速一般遠小于聲速）。圖5給出了T12和T21隨測量管中的流體聲速變化曲線。隨著測量管中流體聲速的減小，超聲信號飛行時間不斷增加，且增加速度越來越快。

考慮如圖6所示的簡單模型，測量管中的液體混入了一段長度為D 的空氣柱，占整個測量管體積為φ，其密度和聲速分別為ρg和cg。液體本身的密度和聲速分別為ρw和cw。同樣以水和空氣為例，假設溫度保持20 ℃不變。

將圖6的液體中混入空氣柱的簡單模型與圖3和圖4的兩種發射-接收模型相結合。考慮測量管中空氣體積占比φ 和空氣柱長度D 以及流體平均聲速cf之間的關系：

進一步推導可得：

圖7給出了T12、T21隨測量管中空氣體積占比φ 的變化曲線。隨著測量管中空氣體積占比φ 的增加，也就是隨著測量管中空氣越來越多，超聲信號的飛行時間會逐漸增加，且增加速度越來越快。

雖然水溫的變化也會導致水中聲速改變，進而改變超聲信號在水中的飛行時間。不過，在0～100 ℃水溫范圍內，聲速大概在1402～1555 m/s 范圍內平穩變化。對于水溫大于20 ℃時對應的聲速，超聲信號飛行時間反而會減小，這不會影響到氣體監測報警功能的實現。對于水溫小于20 ℃時對應的聲速，超聲信號飛行時間的增加非常有限，根據公式（7）可計算出最大對應于約7%的空氣占比。因此，可設置7%以上的空氣占比為報警閾值。

4 結語

本文所設計的超聲波流量計可同時實現流量測量、溫度反饋和氣體報警功能。在有效增加超聲波流量計功能的基礎上，可以進一步增強超聲波流量計的適用性，滿足復雜場景下的應用需求，及時反饋管道的實時信息，避免管道損壞，有利于拓寬超聲波流量計應用范圍。