基于二維超聲相控陣的流量測量技術研究

羅 浩

(新疆維吾爾自治區水利科技推廣總站，烏魯木齊 830000)

1 概 述

基于瞬時超聲技術的流量測量，在水利、石化和醫學行業中越來越流行[1-2]。在這種方法中，兩個超聲換能器相對放置在上下游，通過測量超聲束上下游傳播的時間差可以得到平均流速。然而，超聲信號的信噪比經常受到聲波漂移的影響，延長了接收時間，增加了測量范圍，降低了檢測概率，而且傳感器的安裝誤差會進一步降低流量測量的精度。本文介紹了一種基于相控陣技術的超聲波流量測量方法。使用相控陣的一個優點是，高流速引起的超聲波束傳播方向的變化可以通過波束控制進行電子和動態補償，從而實現最佳信噪比、更寬的測量范圍以及使用多個超聲波路徑進行測量[3-4]。

彎曲超聲換能器利用板彎曲模式工作，能夠在空氣和水等低聲阻抗流體中產生和接收超聲波，具有較高的轉換效率、魯棒性和相對較低的成本。將彎曲超聲換能器與相控陣技術相結合，可以實現這些優點，本研究驗證了二維彎曲超聲相控陣技術在流量測量中的適用性。

2 研究方法

相控陣流量儀器測量系統由二維超聲相控陣和單個超聲換能器組成。建議在相控陣系統的最終版本中，只使用相控陣傳感器，可增加最終系統的靈活性。流量測量配置的橫截面見圖1，其中傳感器1為單個超聲波換能器，陣列元件A、B、C和D分別代表四元線性陣列。單個傳感器以相對于陣列法線方向的θ角面向陣列中心。

波束控制技術應用于聲波的發射和接收。當超聲波束向上游傳播時，單個超聲換能器作為發射器工作，二維陣列中的元件同時接收超聲波。對接收到的超聲波信號施加延時，并將時移信號求和，以產生最大振幅信號。當超聲束順流而下時，陣列中的單元線以固定的延遲連續激勵，產生超聲的實質性干涉，由此單超聲換能器接收疊加的超聲信號。發射和接收過程中使用的時間延遲決定了超聲波束相對于陣列法線的入射角。在實際應用中，流速可以在相對較短的時間內變化，從低速的層流到高速的湍流。

圖1 基于超聲相控陣技術的流量測量配置的橫截面超聲波束

為了補償聲束漂移效應，必須根據流速的變化動態調整波束形成過程中的最佳角度和時間延遲，以獲得最大的信噪比和最大的測量范圍。根據經典的瞬時測量方法，超聲上下游的傳播時間滿足方程(1)：

(1)

求解方程(1)，得到管道橫截面上超聲波路徑投影線上的平均流速，見式(2)。

(2)

管道橫截面上的平均流速可通過方程式(3)計算：

(3)

在相控陣的設計、制造和特性描述方面已有相關研究[5-6]。本文提出的二維彎曲超聲相控陣的結構見圖2。為了確保陣列元件性能的高度一致性，使用36 mm×36 mm×0.25 mm的彈性鈦板制作，共16個陣列單元的振動振膜。鈦板上連接有16個孔的鋼擋板，直徑為6.6 mm、間距為7.4 mm的孔隙將鈦擋板分成16個單獨的陣列元件。16個直徑為6 mm、厚度為0.25 mm的壓電陶瓷片連接到彎曲元件上，導線通過36 mm×36 mm×8 mm擋板上的孔焊接到陣列的引線。為了減少駐波振動對相鄰元件的影響，使用后罩板進行阻斷，并用環氧膠粘劑與擋板粘結。后罩板同時還增強了陣列的機械性。圖2(c)為帶有外殼的裝配陣列。

圖2 二維超聲相控陣示意圖

陣列的每個彎曲單元都可以看作是一個在其基本共振模式下振動的邊緣固定彈性膜片，在低聲阻抗介質中有效地產生和接收超聲波，而不需要阻抗匹配層，與其他類型的空氣耦合超聲換能器不同。通過對折流板、陶瓷片和后罩板的仔細考慮，可以有效地產生各彎曲單元的軸對稱(0,0)模。用阻抗分析儀、校準傳聲器和激光多普勒測振儀對單個陣列單元和整個陣列的中心頻率、帶寬、輻射方向圖和機械串擾進行了表征，表明陣列單元的中心頻率均約為49±1.5 kHz，陣列的最大轉向角在60°左右。

3 實驗驗證

圖3(a)為由尼龍制成的儀表主體用于容納彎曲超聲相控陣和單超聲波換能器。儀表內徑為146 mm，每端有一個法蘭。3個60 mm×60 mm的端口被加工到儀表主體中，適配器的設計確保單個傳感器以30°的角度面對陣列(I)，見圖3(b)。第二個陣列，見圖3(a)，被稱為陣列(II)，也包括在儀表主體中，用于通過反射超聲波路徑進行測量。32通道相控陣控制器用于控制陣列以及數據采集。通道1連接單個傳感器，通道2至16連接陣列(II)，通道17至32連接陣列(I)，并且每個通道都能工作在發射模式和接收模式中。

圖3 實驗裝置及流量計橫截面圖

設備包括一臺壓縮機作為主要流量源，以及一個校準的機械流量計作為基準流量計。實驗是在恒定的室溫下，以流體為流動介質的開流回路中進行的。數據采集采用全矩陣捕獲技術，每個通道按發射模式順序工作，所有剩余通道作為接收器，以實現所有可能的超聲波路徑的數據采集。從0～40 m3/h的流量范圍內采集超聲波信號，增量為10 m3/h。為了確定每個通道的最佳延時，使用互相關法計算通過全矩陣捕獲方法獲得的接收時間。圖4(a)顯示了上游和下游超聲波束的接收時間的變化，表明上游超聲波束的接收時間隨流速增加而增加，而下游超聲束的接收時間減小。在上游時，相鄰陣列柱之間的時間延遲隨著流速的增加而增加，而在下游時則減小。接收時間的差異是最佳光束轉向角的結果。

使用式(2)和式(3)計算的超聲波相控陣流量計的平均流速與參考流速進行比較，結果見圖4(b)。

圖4 實驗結果

一般來說，使用相控陣測量的流速與低流速水平的校準參考值密切相關，但對于超過15 m/s的流速，顯示出更大的差異。有一系列因素可以解釋這些差異。例如，與機械流量計相比，超聲波技術對流速剖面的干擾較小，因此兩個流量計測得的平均流速也不同。此外，流量計和流量回路彎管之間的距離小于管道內徑的15倍，這會產生不同的速度剖面，從而產生不同的平均流速。提高精度的平均流速測量需要更嚴格的校準過程、復雜的流量回路、壓力和溫度的精確測量，以及對系統組件和流經流量計的氣體密度進行適當評估。但如果機械流量計獲得的參考速度被認為是準確的，則可以根據圖4(b)對超聲波相控陣流量計的測量結果應用校正系數。

4 結 論

本文提出一種基于二維超聲相控陣的流量測量方法，實現了聲漂移效應對超聲束的影響補償。通過對超聲相控陣的設計、制造和表征過程，并在0～40 m3/h的流量范圍內進行了流量試驗。實驗證明，測量速度與參考速度之間存在密切的相關性，說明了超聲相控陣用于精確流量測量的可行性。今后將研究具有這種類型陣列的多超聲波束路徑的流動特性，以進一步提高流量測量精度。