羅 浩

(新疆維吾爾自治區(qū)水利科技推廣總站，烏魯木齊 830000)

1 概 述

基于瞬時(shí)超聲技術(shù)的流量測(cè)量，在水利、石化和醫(yī)學(xué)行業(yè)中越來(lái)越流行[1-2]。在這種方法中，兩個(gè)超聲換能器相對(duì)放置在上下游，通過測(cè)量超聲束上下游傳播的時(shí)間差可以得到平均流速。然而，超聲信號(hào)的信噪比經(jīng)常受到聲波漂移的影響，延長(zhǎng)了接收時(shí)間，增加了測(cè)量范圍，降低了檢測(cè)概率，而且傳感器的安裝誤差會(huì)進(jìn)一步降低流量測(cè)量的精度。本文介紹了一種基于相控陣技術(shù)的超聲波流量測(cè)量方法。使用相控陣的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行電子和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)最佳信噪比、更寬的測(cè)量范圍以及使用多個(gè)超聲波路徑進(jìn)行測(cè)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(chǎn)生和接收超聲波，具有較高的轉(zhuǎn)換效率、魯棒性和相對(duì)較低的成本。將彎曲超聲換能器與相控陣技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)，本研究驗(yàn)證了二維彎曲超聲相控陣技術(shù)在流量測(cè)量中的適用性。

2 研究方法

相控陣流量?jī)x器測(cè)量系統(tǒng)由二維超聲相控陣和單個(gè)超聲換能器組成。建議在相控陣系統(tǒng)的最終版本中，只使用相控陣傳感器，可增加最終系統(tǒng)的靈活性。流量測(cè)量配置的橫截面見圖1，其中傳感器1為單個(gè)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(gè)傳感器以相對(duì)于陣列法線方向的θ角面向陣列中心。

波束控制技術(shù)應(yīng)用于聲波的發(fā)射和接收。當(dāng)超聲波束向上游傳播時(shí)，單個(gè)超聲換能器作為發(fā)射器工作，二維陣列中的元件同時(shí)接收超聲波。對(duì)接收到的超聲波信號(hào)施加延時(shí)，并將時(shí)移信號(hào)求和，以產(chǎn)生最大振幅信號(hào)。當(dāng)超聲束順流而下時(shí)，陣列中的單元線以固定的延遲連續(xù)激勵(lì)，產(chǎn)生超聲的實(shí)質(zhì)性干涉，由此單超聲換能器接收疊加的超聲信號(hào)。發(fā)射和接收過程中使用的時(shí)間延遲決定了超聲波束相對(duì)于陣列法線的入射角。在實(shí)際應(yīng)用中，流速可以在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)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(shù)的流量測(cè)量配置的橫截面超聲波束

為了補(bǔ)償聲束漂移效應(yīng)，必須根據(jù)流速的變化動(dòng)態(tài)調(diào)整波束形成過程中的最佳角度和時(shí)間延遲，以獲得最大的信噪比和最大的測(cè)量范圍。根據(jù)經(jīng)典的瞬時(shí)測(cè)量方法，超聲上下游的傳播時(shí)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(jì)算：

(3)

在相控陣的設(shè)計(jì)、制造和特性描述方面已有相關(guān)研究[5-6]。本文提出的二維彎曲超聲相控陣的結(jié)構(gòu)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(gè)陣列單元的振動(dòng)振膜。鈦板上連接有16個(gè)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(gè)單獨(dú)的陣列元件。16個(gè)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(dǎo)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(dòng)對(duì)相鄰元件的影響，使用后罩板進(jìn)行阻斷，并用環(huán)氧膠粘劑與擋板粘結(jié)。后罩板同時(shí)還增強(qiáng)了陣列的機(jī)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(gè)彎曲單元都可以看作是一個(gè)在其基本共振模式下振動(dòng)的邊緣固定彈性膜片，在低聲阻抗介質(zhì)中有效地產(chǎn)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(duì)折流板、陶瓷片和后罩板的仔細(xì)考慮，可以有效地產(chǎn)生各彎曲單元的軸對(duì)稱(0,0)模。用阻抗分析儀、校準(zhǔn)傳聲器和激光多普勒測(cè)振儀對(duì)單個(gè)陣列單元和整個(gè)陣列的中心頻率、帶寬、輻射方向圖和機(jī)械串?dāng)_進(jìn)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(zhuǎn)向角在60°左右。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(nèi)徑為146 mm，每端有一個(gè)法蘭。3個(gè)60 mm×60 mm的端口被加工到儀表主體中，適配器的設(shè)計(jì)確保單個(gè)傳感器以30°的角度面對(duì)陣列(I)，見圖3(b)。第二個(gè)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(jìn)行測(cè)量。32通道相控陣控制器用于控制陣列以及數(shù)據(jù)采集。通道1連接單個(gè)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(gè)通道都能工作在發(fā)射模式和接收模式中。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置及流量計(jì)橫截面圖

設(shè)備包括一臺(tái)壓縮機(jī)作為主要流量源，以及一個(gè)校準(zhǔn)的機(jī)械流量計(jì)作為基準(zhǔn)流量計(jì)。實(shí)驗(yàn)是在恒定的室溫下，以流體為流動(dòng)介質(zhì)的開流回路中進(jìn)行的。數(shù)據(jù)采集采用全矩陣捕獲技術(shù)，每個(gè)通道按發(fā)射模式順序工作，所有剩余通道作為接收器，以實(shí)現(xiàn)所有可能的超聲波路徑的數(shù)據(jù)采集。從0～40 m3/h的流量范圍內(nèi)采集超聲波信號(hào)，增量為10 m3/h。為了確定每個(gè)通道的最佳延時(shí)，使用互相關(guān)法計(jì)算通過全矩陣捕獲方法獲得的接收時(shí)間。圖4(a)顯示了上游和下游超聲波束的接收時(shí)間的變化，表明上游超聲波束的接收時(shí)間隨流速增加而增加，而下游超聲束的接收時(shí)間減小。在上游時(shí)，相鄰陣列柱之間的時(shí)間延遲隨著流速的增加而增加，而在下游時(shí)則減小。接收時(shí)間的差異是最佳光束轉(zhuǎn)向角的結(jié)果。

使用式(2)和式(3)計(jì)算的超聲波相控陣流量計(jì)的平均流速與參考流速進(jìn)行比較，結(jié)果見圖4(b)。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

一般來(lái)說(shuō)，使用相控陣測(cè)量的流速與低流速水平的校準(zhǔn)參考值密切相關(guān)，但對(duì)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(jī)械流量計(jì)相比，超聲波技術(shù)對(duì)流速剖面的干擾較小，因此兩個(gè)流量計(jì)測(cè)得的平均流速也不同。此外，流量計(jì)和流量回路彎管之間的距離小于管道內(nèi)徑的15倍，這會(huì)產(chǎn)生不同的速度剖面，從而產(chǎn)生不同的平均流速。提高精度的平均流速測(cè)量需要更嚴(yán)格的校準(zhǔn)過程、復(fù)雜的流量回路、壓力和溫度的精確測(cè)量，以及對(duì)系統(tǒng)組件和流經(jīng)流量計(jì)的氣體密度進(jìn)行適當(dāng)評(píng)估。但如果機(jī)械流量計(jì)獲得的參考速度被認(rèn)為是準(zhǔn)確的，則可以根據(jù)圖4(b)對(duì)超聲波相控陣流量計(jì)的測(cè)量結(jié)果應(yīng)用校正系數(shù)。

4 結(jié) 論

本文提出一種基于二維超聲相控陣的流量測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了聲漂移效應(yīng)對(duì)超聲束的影響補(bǔ)償。通過對(duì)超聲相控陣的設(shè)計(jì)、制造和表征過程，并在0～40 m3/h的流量范圍內(nèi)進(jìn)行了流量試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)量速度與參考速度之間存在密切的相關(guān)性，說(shuō)明了超聲相控陣用于精確流量測(cè)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(dòng)特性，以進(jìn)一步提高流量測(cè)量精度。