超聲流量傳感器與超聲電子水表

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

超聲流量傳感技術具有其它流量傳感技術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；可在測量管外側測量管內流體流速等。

但單聲道超聲流量傳感器為了保證流量測量**度，其上游側應有足夠長的直管段。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有一定要求。用時差法測量時，當水中有較多氣泡、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。此時應設法增加正、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水流體的流速、流量等參數，進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是被測介質溫度與成分的函數，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所組成的數學表達式成線性關系。經轉換后有式（7）：

式中M為常數，僅與超聲水表測量管的加工、裝配精度有關（即與管道內徑尺寸D與換能器安裝角度φ有關）。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與測量誤差的評判依據。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在不同雷諾數以及相應流速分布時的關系很復雜，因此其時差表達式與流速面平均值v之間在不同的流量段呈現出了明顯的非線性，見圖5。這就需要在不同的流速分布區(qū)域對超聲流量傳感器采用不同的特性校正方法。

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

超聲電子水表構成與主要性能指標

超聲電子水表是在超聲流量傳感器基礎上增加信號處理電路及數據通信功能所組成。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到的較好性能指標為（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；
● 防護等級：IP68；
● 被測介質溫度范圍：0.1℃～50℃；
● 電池使用壽命：≥10年；
● 數據通信功能：無線短距離通信（點對點）/GPRS無線公網通信/M-BUS等。

超聲電子水表的關鍵技術與發(fā)展趨勢

● 由于單聲道超聲水表只有一個聲道，因此對管道內流速分布很敏感，需要有較長的前后直管段以保證管內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）而導致管內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**度電子水表的實現提供了很好的技術手段。

● 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、換能器的設計與裝配技術，以及換能器件的測量與篩選技術等都是保證高性能超聲換能器的關鍵技術。

● 采用更高時間分辨力的計時脈沖技術和計時控制策略，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，為保證檢定周期內不需更換電池，水表的微功耗設計就顯得尤為重要。除了采用極低功耗的電子電路和嵌入式微系統(tǒng)外，軟件算法的改進對降低整機功耗也非常重要。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用起到了關鍵的作用。

● 作為城市管網的一個測量節(jié)點，超聲等電子水表作為一種新型流量傳感器在管網測控應用乃至物聯網應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是一項網絡接入的重要技術。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，網絡技術主要有自組局域網絡和利用公用網絡平臺等。

● 超聲流量傳感器測量管段流體動力學性能的優(yōu)化設計、換能器位置和聲道的合理設置、測量管段金屬材料的選擇，以及密封與防護技術的應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必將為我國水資源的管理和用水量的貿易結算等起到非常重要的作用。隨著物聯網技術的逐步推進與應用，具有數據采集與測量、數據傳輸與通信、網絡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用前景。