超声波热量表的频差法流量测量原理

王天际 郭晓冬 勾晓东

【摘要】随着分户供暖和按热量收费的发展趋势，超声波热量表以压损小、精度高、寿命长、抗干扰强等优点得到广泛应用。目前，国内外超声波热量表大都采用时差法测量，但由于时差法所能获得的时间差值非常微小，如果要保证全量程流速范围内的测量精度，就必须要求时间测量的分辨率达到皮秒级，对于元器件的性能要求很高，提高小流量的测量精度非常困难，为了解决微小时间差的测量瓶颈，采用频差法测量技术能够很好的解决。

【关键词】频差法 超声波

1时差法流量测量原理

时差法是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。如图1，顺流换能器和逆流换能器分别安装在流体管的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波通过的路径长度为L。

超声波顺流传播时间为td，逆流传播时间为tu，超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：

其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差Δt为

式中X是两个换能器在管线方向上的间距，为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：

上式简化为：

即，流体的速度为：

流量Q可以表示为：

由此可见，时差法的测量精度主要取决于对微小时差Δt的分辨率，即纳秒级的时标，所以时差法的测量精度受到许多方面的制约，小流量测量精度难以保证和提高。

2频差法测量流量原理

频差法超声波流速测量是采用一种回波鸣环技术，在流体中产生两个超声波传播方向不同的鸣环频率，分别称为顺流鸣环频率ft1和逆流鸣环频率ft2。在静止流体中，ft1=ft2，而在流体流动时，ft1与ft2之间产生频率差△ft，而△ft正比于流体流速。

在顺流方向，超声波的鸣环频率ft1为

在逆流方向，超声波的鸣环频率ft2为

式中，c为超声波在流体中传播速度，称为声速，在流体温度20°C时，声速c为1482.3m/s；v为流体流速；θ为声线与管道中心轴线之间的夹角，它与超声波入射角有关，L为超声波在固体和流体中的传播距离。

则频率差为

由以上公式可以看出，当两个超声波换能器安装位置一定时，L和θ也就确定，流速v仅与Δft有关，而与声速c无关。

根据频差法测量原理，在静止流体中，v=0时，声传播鸣环频率为ft1=ft2=c/L=ft0。在流体流动时，顺流与逆流的鸣环频率差正比于流体流速，被测流体流速v为

为了满足在低流速下的流量测量精度，应使测量频差的数目达到足够大，频差法可以采用锁相倍频技术，以使测量的频差扩大到N倍，这相当于提高了小流量时的测量精度。

3频差法测量流量的实现方法

在启动超声波测量之前，超声波发射和接收回路处于休眠状态。一旦收到外部启动信号，由内部单片机发出一个启动脉冲，并通过同步触发电路激活超声波发射器产生第一次发射。发射脉冲通过流体传播到达接收器并输出回波信号，经回波检测和整形后，将回波脉冲反馈回同步触发器，以使发射器产生第二次发射，接收器接收的第二个回波脉冲再次反馈回发射端。这样周而复始，不断发射、接收和回波反馈，从而在发射和接收回路上建立连续的的回波脉冲循环。

4频差法测量流量的技术特征

频差法测量使用的回波鸣环技术是一种声波反馈技术，它是在超声波传播路径上，经过声波发射→流体传播→回波接收→再将回波反馈给发射，周而复始地建立声脉冲循环回路，由此产生连续的回波鸣环频率，当超声波在顺流体方向传播时，回波鸣环频率为f1，而在逆流体方向传播时，回波鸣环频率为f2，两者之间的频率差为Δf。

在流体流动时，超声波的传播时间会随着流速变化增加或减小，把这种时间变化转换成频率变化，通过对频率差的测量就可以确定流体流速。这与时差法测量时间是等效的，但这两种测量方法对流速的分辨率和测量精度确有很大不同。

（1）频差法测量的是频率，而测量频差的最小单位是赫兹，这在频率测量中很容易实现。而时差法测量时差的最小单位是皮秒，要保证1ps的测量精度，在时间测量技术中很难实现。

（2）在流体流速相同的情况下，频率法测量的Δf值要远高于时差法测量的Δt值，所以频率法测量流速的分辨率要远高于时差法。

（3）因为频差法采用成熟的锁相倍频技术，要想提高小流速下的测量精度很容易实现，这是频差法的一大技术特征。而时差法只能依靠的提高时标精度已经到了极限，很难再提高。

（4）频差法测量不需要对温度进行修正，这是因为测量的频差与声速c的变化无关。而时差法测量流速受流体温度影响较大，需要对时差进行温度修正。

综上所述，超声波频差法测量流量具有众多优点，是时差法无法比拟的。虽然频差法也有测量电路比较复杂，功耗偏大，成本偏高等缺点，但随着高精度热能表市场需求的不断扩大，超声波频差法热量表的优势将会得到更多关注。