超聲流量傳感器與超聲電子水表

隨著新的**標(biāo)準(zhǔn)貫徹實施，電子水表逐步進(jìn)入人們視線。代表電子水表主要技術(shù)的超聲水表及其超聲流量傳感技術(shù)由于在性能上有著一系列的特色和優(yōu)勢，其影響日益擴(kuò)大，使用量也日見增多。

超聲流量傳感技術(shù)具有其它流量傳感技術(shù)所不具備的諸多特點，主要有：可以較好地解決大管徑、大流量以及各類明渠、暗渠的流量測量難題；對被測流體介質(zhì)幾乎無要求，不僅可以測量液體，也可測量氣體；由于采用非接觸方式，所以不破壞被測流體流場，也無壓力損失；流量測量的**度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等物性參數(shù)影響；儀表價格不隨測量口徑的增大而大幅上升；可在測量管外側(cè)測量管內(nèi)流體流速等。

但單聲道超聲流量傳感器為了保證流量測量**度，其上游側(cè)應(yīng)有足夠長的直管段。多聲道超聲流量傳感器測量**度較高，對直管段要求可以大大降低；超聲流量測量對被測水質(zhì)有一定要求。用時差法測量時，當(dāng)水中有較多氣泡、懸浮物或換能器表面附有污物，會阻礙超聲波的正常傳播，致使測量無法進(jìn)行；隨著測量管徑減小，采用時差測量法原理的超聲流量傳感器會遇到測量誤差增大的困惑。此時應(yīng)設(shè)法增加正、逆向測量的時間差，提高計時分辨力，保證小流量測量的**性和重復(fù)性。

超聲流量傳感器以及超聲電子水表可以采用換能器外掛方式（見圖1）和換能器侵入方式（見圖2）。

時差法超聲流量傳感器的原理與特性

超聲流量傳感器是超聲電子水表的關(guān)鍵核心部件，它主要由測量管、超聲換能器、收發(fā)電路、計時脈沖發(fā)生器和精密計時控制器等組成。當(dāng)前，超聲流量測量方法大多采用時差法或速度差法測量管道內(nèi)水流體的流速、流量等參數(shù)，進(jìn)而積算成用水量的實際體積值。超聲時差測量法的工作原理見圖3，正、逆向傳播時間、時間差和線平均流速的計算公式可分別參見式（1）～（3）。

由于

所以

或

式中，t1-2 —超聲波正向傳播時間； t2-1—超聲波逆向傳播時間；Δt —超聲波正、逆向傳播時間差；c —超聲波傳播速度；v —流體軸向平均線流速; D—管道直徑； φ—超聲波傳播方向與流體軸線間的夾角。

圖3、超聲時差測量法工作原理圖

由于聲速c是被測介質(zhì)溫度與成分的函數(shù)，后期發(fā)展的時差測量法則是利用超聲波在正、逆向傳播的速度之差來反映流體的流速，因此避免了介質(zhì)溫度或成分變化對超聲流量測量**度的影響，因此也稱速度差法。現(xiàn)將式（1）的形式作如下改變，

將式（4）兩式相減得，

將代入式（5）得，

式（6）已消去了超聲波傳播聲速項。只要測得正、逆向時間（t1-2、t2-1）和時間差Δt，即可得到聲道上流速的線平均值v。

式（6）表明，管道內(nèi)流速線平均值v與時間差Δt、正向傳播時間t1-2、逆向傳播時間t2-1所組成的數(shù)學(xué)表達(dá)式成線性關(guān)系。經(jīng)轉(zhuǎn)換后有式（7）：

式中M為常數(shù)，僅與超聲水表測量管的加工、裝配精度有關(guān)（即與管道內(nèi)徑尺寸D與換能器安裝角度φ有關(guān)）。M值的改變會影響超聲水表流量測量理論特性曲線的斜率，見圖4。

封閉管道通常采用流速面平均值作為水表流量測量特性校準(zhǔn)與測量誤差的評判依據(jù)。由于超聲測量得到的線平均值v與流速分布的面平均值v在不同雷諾數(shù)以及相應(yīng)流速分布時的關(guān)系很復(fù)雜，因此其時差表達(dá)式與流速面平均值v之間在不同的流量段呈現(xiàn)出了明顯的非線性，見圖5。這就需要在不同的流速分布區(qū)域?qū)Τ暳髁總鞲衅鞑捎貌煌奶匦孕Ｕ椒ā?/p>

圖5、超聲流量傳感器在不同流速區(qū)間線與面平均速度之間的特性

超聲電子水表構(gòu)成與主要性能指標(biāo)

超聲電子水表是在超聲流量傳感器基礎(chǔ)上增加信號處理電路及數(shù)據(jù)通信功能所組成。其工作原理見圖6。

圖6、超聲電子水表工作原理框圖

超聲電子水表目前所能達(dá)到的較好性能指標(biāo)為（以DN100為例）：

● 流量測量范圍：Q3=100m3/h；Q1=0.2m3/h；Q3 /Q1=250～250；
● *大允許誤差：低區(qū)≤±3.0%；高區(qū)≤±1.0%；
● *大工作壓力：1.6 MPa；
● 防護(hù)等級：IP68；
● 被測介質(zhì)溫度范圍：0.1℃～50℃；
● 電池使用壽命：≥10年；
● 數(shù)據(jù)通信功能：無線短距離通信（點對點）/GPRS無線公網(wǎng)通信/M-BUS等。

超聲電子水表的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢

● 由于單聲道超聲水表只有一個聲道，因此對管道內(nèi)流速分布很敏感，需要有較長的前后直管段以保證管內(nèi)流速分布處于充分發(fā)展的穩(wěn)定對稱流狀態(tài)，使線流速和面流速之間的校正點不因流速分布畸變而發(fā)生改變。雙聲道乃至多聲道超聲水表因有多個聲道，可以在流速分布的不同位置進(jìn)行校正，基本解決了水表前后由于安裝阻流器件（如彎頭、三通、閥門等）而導(dǎo)致管內(nèi)流速分布畸變所造成的校正誤差，因此可以使用較短的前后直管段，同時也為高**度電子水表的實現(xiàn)提供了很好的技術(shù)手段。

● 高性能超聲換能器件是保證超聲水表測量**度和長期工作穩(wěn)定性的重要保證。新型機(jī)電換能材料研制、換能材料特性的穩(wěn)定性處理、換能器的設(shè)計與裝配技術(shù)，以及換能器件的測量與篩選技術(shù)等都是保證高性能超聲換能器的關(guān)鍵技術(shù)。

● 采用更高時間分辨力的計時脈沖技術(shù)和計時控制策略，提高時差法超聲水表在低流速時的計時**度，使超聲水表的計量特性能向更寬的流量測量范圍拓展，以滿足水計量應(yīng)用的特殊要求。

● 超聲水表通常使用電池供電，為保證檢定周期內(nèi)不需更換電池，水表的微功耗設(shè)計就顯得尤為重要。除了采用極低功耗的電子電路和嵌入式微系統(tǒng)外，軟件算法的改進(jìn)對降低整機(jī)功耗也非常重要。新型高能電池的研發(fā)為超聲等各類電子水表的大面積推廣應(yīng)用起到了關(guān)鍵的作用。

● 作為城市管網(wǎng)的一個測量節(jié)點，超聲等電子水表作為一種新型流量傳感器在管網(wǎng)測控應(yīng)用乃至物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中將起到十分重要的作用，因此超聲水表的通信接口技術(shù)是一項網(wǎng)絡(luò)接入的重要技術(shù)。目前電子水表的通信方式主要有短距的有線通信、無線通信和長距的無線通信等幾種，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要有自組局域網(wǎng)絡(luò)和利用公用網(wǎng)絡(luò)平臺等。

● 超聲流量傳感器測量管段流體動力學(xué)性能的優(yōu)化設(shè)計、換能器位置和聲道的合理設(shè)置、測量管段金屬材料的選擇，以及密封與防護(hù)技術(shù)的應(yīng)用等也將決定著超聲電子水表的計量性能、使用壽命和測量的可靠性。

超聲流量傳感器和超聲電子水表的出現(xiàn)必將為我國水資源的管理和用水量的貿(mào)易結(jié)算等起到非常重要的作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐步推進(jìn)與應(yīng)用，具有數(shù)據(jù)采集與測量、數(shù)據(jù)傳輸與通信、網(wǎng)絡(luò)閥門控制等功能于一體的新型電子水表一定會有非常廣闊的應(yīng)用前景。