超声波流量计换能器的入射角及振荡频率对丈量精度的影响，文中以时差法为例,剖析了超声波流量计换能器中超声射线入射角及振荡频率对丈量精度的影响,给出了换能器的挑选原则。

由于超声波流量计采用非接触丈量方式、不受被测流体的物理性质和化学性质的影响,因而遭到广泛的重视。超声波流量计一般由超声波换能器和电子电路两部分组成。在当今微电子技术***发展的年代,设计并制作出高精度的丈量电路、使用单片机实现信号的剖析处理是非常容易的事情。因此为获得所要求的丈量精度,超声波换能器的设计和挑选就显得非常重要了。本文拟就时差法超声波流量计换能器的结构和波型转换、谐振频率等问题,结合作者的一些实验体会作些探讨。

2 时差法超声波流量计丈量原理

使用超声波束在流动液体中顺流和逆流传达所用时刻不同来丈量流量的,如图1所示。F、J为超声波换能器,交替发射和接纳超声波。设顺流时超声波传达的时刻为t1,逆流时超声波传达的时刻为t2,则

式中:D为管径;θ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达速度;τ为超声波在声导和管壁中的传达时刻与电路延迟时刻之和。

只要测出时差,即可得到流体速度u.

3 换能器结构与波形转换问题

由图1可见,在榜首折射面处,以α为入射角的超声纵波将在管壁发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达,这两束纵波将在对面管壁转换成两束纵波和两束横波。为进步换能器接纳信号的挑选性,一般选取入射角α大于榜首临界角而小于第二临界角,以保证仅一束超声波被换能器接纳。若管道为钢管,换能器用有机玻璃作为声导,一般选取28.7°<α< 60°。在上述讨论中仅考虑了超声波在遇到界面时折射波的方向问题,并未考虑入射波和折射波的声压问题,实际上斜入射时,特别是在发生波形转换的情况下,反射波及折射波声压分配是随入射波型和入射角的改变而改变,同时还与界面两侧的介质性质有关,在两种不同介质分界面处(见图2),

式中:Z1、Z2为介质1、2的声阻抗,Z与介质密度和介质声速有关;α、β为入射角和折射角; pm、p1m、p2m为入射波、反射波、折射波的声压幅值,p1m+pm=p2m.

由于B、R与Z有关,其理论计算比较复杂,故多采用实测方法,图3为钢/水界面横波斜入射情况时横波声压反射率与横波入射角的关系曲线。从图3可见当钢中横波入射角αs在30°左右时,声压反射率R值***小,约为15%,由于B+R=1,声压透射率B***大。

在αs>40°之后,R根本维持在90%左右。由此可见,欲进步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β≈14°,由图1可得,θ=90°-β,结合公式(3)可知,在此情况下Δt将减小,因此要获得一定的丈量精度必须进步电路的测时精度,例如D=25mm的管道,其电路测时精度应在纳秒(ns)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,可能被换能器同时接纳,影响丈量精度。对壁厚为4mm、直径为25mm的钢管做过实验,所做实验表明,入射角为30°、晶片直径大于30mm的换能器难以实现接纳一束波的目的,因此应适当减小换能器晶片尺度。虽然换能器晶片尺度减小将导致发射信号的减小,但由于透射率处于***大值,接纳信号远大于入射角为45°,大晶片换能器的接纳信号(实验表明,入射角为30°,晶片直径为20mm的换能器,其接纳信号远大于入射角为45°,晶片直径为30mm换能器的接纳信号)。由于入射角为30°的换能器透射率大,能量丢失小,因此鼓励电压可以减小。对于入射角为45°的换能器,由于透射率较小,可采用进步鼓励电压来进步接纳信号强度。

4 超声换能器振荡频率的挑选

超声波流量计的发射换能器,一般采用脉冲方式鼓励,一旦超声换能器受脉冲鼓励后,换能器的压电陶瓷将按本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丈量具有重要影响。一般接纳到的超声波为一束波(如图5所示),为进步测时精度,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计时截止的关门脉冲(如图5中的“×”方位)。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,由于接纳电路的误差将造成图5中“×”的方位沿时刻轴偏移,导致计时精度降低。为进步计时精度,应挑选高频率换能器,但频率太高将增加电路设计的困难。频率一般依据管径来挑选,管径较大挑选低频换能器,反之挑选高频换能器,其频率范围一般为0.5~2MHz.

由文中的剖析可知,入射角为30°的换能器,由于透射率较大,能量丢失小,鼓励电压小,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°的换能器,其透射率较小,但可增大换能器晶片尺度,进步鼓励电压,适用于固定式或可以使用交流电源的便携式。换能器的频率应依据管径来挑选,大管径应选则低频,反之选高频。