摘 要：對超聲時差法進行算法改進后，結合氣體密度公式推導出超聲質量流量方程，據此設計出溫壓補償型超聲氣體質量流量計，給出了流量計核心系統及溫壓補償部分的硬件設計。將只用于流體體積流量測量的超聲流量計推廣到氣體質量流量測量領域，使超聲流量計趨向理想化。經實驗證明此流量計在測量常壓空氣時精度可達1.42%。
關鍵字：超聲 時差法 氣體質量流量 溫壓補償
1 引言
目前，各種超聲流量計均用來測量體積流量，但是在一些氣體計量或貿易結算等方面，對氣體進行質量流量測量更為普遍，而現有的各種直接式質量流量計又不具備超聲測量的優點[1]。超聲流量計經過改進后可能成為理想流量計。目前制約它成為理想流量儀表的幾個因素包括：輸出不是數字信號；流量方程式不能外推到未知領域；檢測體輸出信號不是質量流量信號[2]。當前，多組份低密度氣體的質量流量測量是個難題，而對氣體進行體積計量極易引起爭議，需要在發揮超聲流量測量優勢的基礎上進行干氣體的質量流量測量。
2 超聲氣體質量流量計的理論基礎
2.1 時差法
時差法是利用超聲波在流動介質中傳播時。超聲波的一些聲學特性隨流速不同而變化的原理測量流量的。圖1為夾裝式時差法超聲流量計測量原理圖，θ1、θ2、θ3分別為超聲波的入射角、在管壁中的折射角、在被測流體中的折射角。
當超聲波從換能器T1發出，順著流體流動的方向傳播時，聲速會加快，而從換能器逆流發射時，聲速減慢。超聲波順逆流傳播時間分別為
（1）
（2）
式中：c為超聲波在靜止流體中的聲速；v為被測流體的流速；L為聲道長度（換能器T1與換能器T2之間的實際距離）。
式（2）-式（1）得順逆流傳播時間差
（3）
（4）
由式（4）可知：當聲道長度L固定時。v與△t成正比。式（4）為傳統的時差法超聲流量計的流速方程式。
2.2 時差法算法的改進
設TL為平均傳播時間，根據式（1）、式（2）可得：
（5）
式（4）除以式（5），得
（6）
由式（6）求得
（7）
再由Snell公式（入射角與折射角的關系式）
（8）
式中cL為聲楔中的縱波聲速。
將式（8）代入式（6），得：
（9）
式（9）和式（4）都是時差法超聲流速方程式，但式（4）存在θ3、L、c，當被測流體的工作狀況（壓力、溫度）發生變化時，這3項參數都要隨之變化，尤其被測流體是氣體時，因而給計算帶來較大誤差。這也是目前時差法超聲流量計不能用來測量氣體的原因之一。
而式（9）則不同，θ1為聲楔的入射角，是一個固定值，cL為聲楔的縱波聲速，它隨工況變化而變化的程度遠小于被測流體聲速c的變化，且與溫度呈線性關系[3]，因而式（9）可外推到氣體測量領域，故改進后的時差法為氣體質量流量測量提供了更為精確的理論方程。
2.3 氣體質量流量方程的確立
由理想氣體狀態方程可推得干氣體密度公式：
（10）
式中：ρ、ρn分別為工作狀態和標準狀態（293.15K，101.32kPa）下氣體的密度，kg/m3；P、Pn分別為工作狀態下和標準狀態下的壓力，Pa；T、Tn分別為工作狀態下和標準狀態下的熱力學溫度，K；Z、Zn分別為工作狀態下和標準狀態下的氣體壓縮系數。
由于當被測的氣體確定后，ρn，Pn，Tn，Zn均為一確定值（查表可知各自的數值），所以令
式中：B為標準狀態值參數，對確定的氣體為常數。
則式（10）可簡化為
（11）
而質量流量方程式
qm=v·A·ρ（12）
（13）
式中：A為管道截面積；D為管道直徑。
聯立式（9）、式（11）、式（13），則
（14）
式中
為常數，C與管內徑、聲波入射角、聲楔中的縱波聲速、標準狀態值參數有關。
式（14）為超聲波流量計干氣體質量流量測量方程式。由式（14）可知，當測量出干氣體的壓力、熱力學溫度，查出Z值后可以測量出氣體質量流量。
3 溫壓補償型超聲氣體質量流量計結構
超聲式質量流量計結構如圖2所示。溫壓補償部分為溫度壓力組合傳感器，該傳感器制作成外螺紋形式，可以方便地擰在管道上。流量測量采用既發射又接收的外夾裝式超聲探頭，工作頻率為1MHz，以Z型方式安裝。安裝時應注意探頭的隔熱處理，且保證兩探頭對應位置能使超聲波沿管徑傳播。
整個流量計由超聲發射/接收電路，溫度壓力傳感器，恒流供電及A/D轉換電路，CPU處理單元，鍵盤輸入和顯示電路，D/A轉換電路組成。圖3是補償型超聲式氣體質量流量計測量原理圖。
3.1 超聲發射、接收
單片機的I/O口定時中斷輸出控制脈沖，同時高速計數器開始計時，控制脈沖經發射驅動電路激勵發射超聲波，接收換能器接收到超聲信號后經過放大濾波進入轉換電路，轉換成脈沖方波信號進入CPU，觸發中斷并停止計數，此時便獲得超聲傳播時間。超聲發射采用窄脈沖驅動電路[4]提高測量精度。
3.2 溫度壓力傳感器、恒流供電及A/D轉換電路
溫度壓力傳感器為壓力傳感器和溫度傳感器組合式結構。壓力傳感器采用擴散硅壓阻式傳感器，為保證測量時仍能發揮超聲流量測量無壓損、口徑范圍寬等特點，采用螺紋連接不銹鋼焊接純平膜結構，其型號為GHBS12P，壓力測量范圍0~2MPa，精度0.02%F.S.溫度測量采用Pt1O0，測溫范圍為-50~150℃，精度0.02%F.S.為了簡化電路，傳感器采用恒流源供電，恒流源采用REF200，它具有高精度、低溫度系數和寬電壓范圍等優點，還包含鏡像電流功能，這部分電路設計成一個恒流源和壓力、溫度測量電路相串聯的結構，節約電能，如圖4所示。但壓力傳感器的輸出并沒有真正接地，所以后續放大電路應采用差分放大形式、溫度壓力信號經放大后變成1~5V信號，經過A/D轉換器直接進入CPU單元。因為需要對兩路信號進行模數轉換，所以A/D轉換器采用美國MAXIM公司的單電源、低功耗2通道串行8位A/D轉換器MAX1108。該芯片在額定供電范圍內電流消耗僅有105μA。
3.3 CPU單元
單片機是儀表的核心，它要對采集的數據進行計算并控制外圍電路的運行。CPU采用的是微功耗器件AT89LV52，電壓為2.7V，它片內帶有8KB的閃存、256B的RAM及豐富的I/O口線，與MCS-51系列兼容，這樣開發調試變得簡單方便。
3.4 鍵盤輸入和顯示電路
由于儀表最終要顯示氣體質量流量，而干氣體種類較多，CPU的內存有限，為使儀表具有實用性，對有些氣體參數可采取現場輸入的辦法。流量方程式中工況下氣體壓縮系數也需通過鍵盤輸入。此鍵盤采用4×4鍵。
顯示電路部分功能是要顯示管道內流體的質量流量、流速、溫度和壓力。顯示模塊選用北京青云公司的LCM141。它是新型的壓力、流量和溫度測量儀表專用的液晶顯示模塊，內含驅動與控制電路，可與單片機進行串口通信。圖5是LCM141模塊與單片機的接口電路，R5主要用于調整顯示亮度，它只需3根線（串行數據線DATA、寫信號線WR和片選信號線CS）與單片機連接即可。
3.5 D/A轉換系統
儀表除具有顯示功能，還輸出4~20mA DC模擬信號，供控制裝置使用。轉換器選用AD421數模轉換器。AD421具有16位分辨率以串行方式輸入，4~20mA電流輸出，含有1.25V、2.5V基準電源。
4 實驗及結果
Φ80mm的超聲氣體質流計實驗樣機在標準鐘罩上進行常壓空氣流量測量，溫度為20℃。將標準鐘罩測出的空氣體積流量結合實測溫度壓力計算所得質量流量值作為標準參考值，它與樣機的示讀數對比，結果如圖6所示。由實驗結果可知，超聲氣體質量流量計測量常壓空氣的誤差≤±1.42%。
5 結論
時差法的改進算法使超聲體積流方程外推到了氣體質量流量測量領域，溫壓補償型超聲氣體質量流量計的智能化設計充分發揮了超聲測量的優點。雖然在復雜狀態氣體測方面尚沒有進行嚴格探討，但其設計思想為超聲流量汁的改造和拓寬超聲應用領域提供了借鑒。
參考文獻
[1] 肖素琴，韓厚義.質量流量計 北京：中國石化出版社，1999.
[2] 蔡武昌，孫淮清，紀綱.流量測量方法和儀表的選用.北京：化學工業出版社.2001.
[3]《超聲波探傷》編寫組.超聲波探傷.北京：水利電力出版社.1985.
[4] 袁易 全近代超聲原理與應用.南京大學出版社.1996.
