兼具温度反馈和气体报警功能的一体化超声流量计设计

滕世国 王祥达 李萍 郭甲

（1.乳源东阳光机械有限公司 广东省韶关市 512721 2.韶关东阳光自动化设备有限公司 广东省韶关市 512721）

随着工业信息化的推进，其发展进程不断加快。流量检测在工业信息化发展进程中发挥着举足轻重的作用，其技术亦不断提高。超声波流量计具有非接触、检测范围广、适用性好等优势特性，逐渐在流量检测市场占据重要地位。不过，传统的超声波流量计在检测时由于声速随温度的变化以及气体掺杂到液体导致液体平均声速减小和声波散射，致使在实际流量检测应用中得到的结果不够准确。尤其在诸如智能座便器流量检测等应用场合，水的温度受环境以及应用需求影响会产生变化，某一温度下的固定声速难以满足较为精确的流量测量的要求，也无法实时反馈水温以便进行水温调整。另外，随着使用时间的增加，管道中的液体内容易掺入气体，除了会导致液体平均声速变化影响流量测量结果外，还容易损坏管道，带来一定的安全隐患。为进一步提高超声流量计的准确性，满足更高的检测要求，同时增强超声流量计适用性，本文设计了一种兼具温度反馈和气体报警功能的一体化超声流量计。基于目前国内外超声波及超声波流量计应用的研究基础，结合声波飞行时间、液体中声速-温度变化规律，并考虑气体对平均声速的影响，可以实现实时的流量测量、温度反馈和气体报警功能。

1 超声流量计组成

图1：超声流量计组成示意图

图2：超声流量计简化模型图

图3：超声换能器1 发射信号&超声换能器2 接收信号

本文设计的兼具温度反馈和气体报警功能的一体化超声流量计，其设计组成结构如图1所示。该超声流量计组成部分包括：超声换能器1、超声换能器2、测量管、固定盖1、固定盖2、密封圈1、密封圈2、进水口、出水口、连接线、控制器、显示器、报警器。超声换能器1 和2 分别通过固定盖1 和2、密封圈1 和2 连接到测量管两端，以防超声换能器和测量管之间连接松动和漏水。液体通过进水口进入测量管，经过测量管后，从出水口流出。超声换能器1 和2 全部通过连接线与控制器连接。超声换能器在控制器的控制下，采用单发单收的工作模式，即其中一个超声换能器发射信号，信号经过测量管中的液体到达另一个超声换能器并被其接收。在一个工作周期内，控制器控制两个超声换能器完成两次交替的单发单收工作模式，即完成一次超声换能器1 发射信号、超声换能器2 接收信号，以及一次超声换能器2 发射信号、超声换能器1 接收信号，超声换能器1 和2 的所有发射和接收信号均由控制器记录并处理。控制器将处理的实时流量测量、温度反馈结果传输到显示器上，并将气体报警信号传输到报警器上。

图4：超声换能器2 发射信号&超声换能器1 接收信号

图5：T12 和T21 随测量管中的流体声速变化曲线

图6：简单模型：液体中混入空气柱

图7：T12 和T21 随测量管中空气体积占比φ 变化曲线

2 超声流量计流量测量和温度反馈原理

超声流量计的基本物理模型可简化为如图2所示的x 轴上的一维声波传输模型。测量管中的液体声速为cf，液体的流速设为Vf，超声换能器1 和2 之间的距离为L。

在一个工作周期内，先由超声换能器1 发射信号、超声换能器2 接收信号，如图3所示，得到超声信号飞行时间T12：

再由超声换能器2 发射信号、超声换能器1 接收信号，如图4所示，得到超声信号飞行时间T21：

通过计算可得：

鉴于液体中的声速cf与其温度Tf之间有明确的映射关系：

结合公式（4）以及测量管的横截面积Sf，可计算出液体的流量Qf和温度Tf：

3 超声流量计气体报警功能原理

液体中的声速一般远大于气体中的声速。若液体中掺入气体，将会导致测量管中流体的平均声速下降，从公式（1）和公式（2）可以看出，这会导致超声信号飞行时间T12和T21增加。以水和空气为例，假设温度保持20 ℃不变，此时水和空气中的声速分别约为1482 m/s 和342 m/s。两种极限情况分别是测量管中充满液体和充满气体。假设超声换能器间距L=5 cm，测量管内无论充满何种流体，其流速Vf=5 m/s 保持不变（流速一般远小于声速）。图5给出了T12和T21随测量管中的流体声速变化曲线。随着测量管中流体声速的减小，超声信号飞行时间不断增加，且增加速度越来越快。

考虑如图6所示的简单模型，测量管中的液体混入了一段长度为D 的空气柱，占整个测量管体积为φ，其密度和声速分别为ρg和cg。液体本身的密度和声速分别为ρw和cw。同样以水和空气为例，假设温度保持20 ℃不变。

将图6的液体中混入空气柱的简单模型与图3和图4的两种发射-接收模型相结合。考虑测量管中空气体积占比φ 和空气柱长度D 以及流体平均声速cf之间的关系：

进一步推导可得：

图7给出了T12、T21随测量管中空气体积占比φ 的变化曲线。随着测量管中空气体积占比φ 的增加，也就是随着测量管中空气越来越多，超声信号的飞行时间会逐渐增加，且增加速度越来越快。

虽然水温的变化也会导致水中声速改变，进而改变超声信号在水中的飞行时间。不过，在0～100 ℃水温范围内，声速大概在1402～1555 m/s 范围内平稳变化。对于水温大于20 ℃时对应的声速，超声信号飞行时间反而会减小，这不会影响到气体监测报警功能的实现。对于水温小于20 ℃时对应的声速，超声信号飞行时间的增加非常有限，根据公式（7）可计算出最大对应于约7%的空气占比。因此，可设置7%以上的空气占比为报警阈值。

4 结语

本文所设计的超声波流量计可同时实现流量测量、温度反馈和气体报警功能。在有效增加超声波流量计功能的基础上，可以进一步增强超声波流量计的适用性，满足复杂场景下的应用需求，及时反馈管道的实时信息，避免管道损坏，有利于拓宽超声波流量计应用范围。