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摘要：超声波流量计主要用于气体、液体和蒸汽的体积流量测量，在计量方面有着广泛应用，其在原理上主要利用多普勒效应法和时差法。但其依然存在检测精度容易受管道流体温度变化等因素影响的问题。本文就此针对时差法原理下的超声波流量计检测精度展开研究讨论。
关键词：时差法；流量计；超声波；温度；精度
一、超声波流量计检测精度的影响因素
从影响超声波流量计检测精度的外界因素来说，流体本身特征属性、流体的运动状态、流体温度的变化、检测算法选用等因素都有可能影响超声波流量计的检测精度：
1）影响超声波流量计检测精度的因素中，最主要因素有管道流体温度变化。管道流体温度变化直接影响超声波在流体中的传播速度，进而影响流量检测的精度。
2）管道流体流场的变化同样影响着超声波流量计的检测精度，由于管道流体在不同的流场状态下其梯度粒子流的速度受干扰较为显著，对于不同的流场状态下其管道流体平均面速度 与平均线速度 之间的补偿关系系数K不同，因此，当流体状态发生改变时将会影响超声波流量计的检测精度。
3）超声波脉冲信号的幅值与频率受噪声干扰对检测精度的影响，超声波在传播的过程由于流体、管道、介质等因素的影响使得超声波信号参杂一些噪声，使得信号衰减或者失真，使得换能器接收的信号达不到所设定的阈值，造成丢波现象，使得测量的时间差增大，从而影响测量的结果。
本文基于超声波流量计“时差法”检测原理，以“水”作为流体介质，针对影响超声波流量计检测精度的“流体温度变化”原因，提出了管道流体温度变化补偿方案。
二、流体温度变化对超声波流量计检测精度影响的试验分析
管道流体温度的变化对于超声波流量计检测精度的影响较为显著。由于超声波在水中的传播速度并不是固定值，而是随着管道流体温度的变化超声波传播速度发生改变，所以超声波流量计生产厂家在检测算法中忽视流体温度变化对超声波传播速度的影响，将超声波传播速度作为固定常数带入程序检测算法之中的做法，针对在管道内流体的温度发生改变时对应的超声波传播速度发生改变（不再是之前设定的固定值）的情况，会影响到超声波流量计的检测精度。
本文研究首先需要建立一个数据库，针对温度、声速这两个变量做大量的实验研究。以温度t为自变量，超声波在水中的传播速度C0为因变量为主要观察对象，通过大量反复的测试实验，记录在不同温度下，超声波在水中的传播速度值。
根据所测得实验数据所示和分析，超声波在管道流体中的传播速度和水温有直接的关系，当水的温度逐渐升高时在一定的升温范围内(温度t<75℃)超声波的传播速度也会随着温度的升高而升高，当水温t>75℃时，随着温度的升高，超声波在水中的传播速度反而降低。超声波在管道流体中的传播速度与温度变化呈非线性变化，其对应的规律曲线为到抛物线状，如图1所示。
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图1 管道流体温度与声速值的关系曲线
通过分析图1可知，当水温低于50℃的时候，超声波的传播速度在水温0℃-100℃之具有唯一值，其声速与温度变化呈现微线性关系，超声波速度低于1543m/s。当管道流体温度大于50℃时，其声速与温度对应值将不再具有为一性,例如当声速为1550m/s时，其管道内流体的温度可以是58.6℃，也有可能是90.6℃，如何确定管道流体温度则成了准确确定声速的前提。
鉴于管道流体温度变化对超声波流量计检测精度影响较为显著，本文给出如下方案来克服管道流体温度变化对于检测结果的影响：分析管道流体温度变化与声速的关系，通过“经验式法”获得关于超声波传播速度的一元二次方程式，当知道某一时刻的管道流体温度便可以计算出声速，进而计算出某一时刻流经管道截面流量，达到超声波流量计流量计量的检测目的。
三、基于流体温度变化的超声波流量计检测精度的修正办法
本文中硬件电路拟用：主芯片MCU采用STM8L052R8T6RAM芯片，时间测量芯片采用TDC-MS1022芯片，温度传感器采用PT1000。通过时间芯片TDC-MS1022和超声波换能器分别获得管道流体顺流时间和逆流时间，并计算时间差△T,通过时差法可获得管道流体的瞬时轴线最大速度VMAX,根据Q=S.V便可获得单位时间内的流量累积量，达到流量计量的目的，这是超声波水流量计利用时差法检测管道流量的工作原理。
通过实验数据与图1声速随温度变化趋势，可以分析出在水温50℃以下超声波的传播速度范围是在1402m/s——1542.5m/s。而且不同声速对应的温度值具有唯一性，且声速在0-50℃内声速的变化步长也较大，在温度以0.1步长的速度上升时，声速在温度0℃-50℃内温度每升高0.1℃声速就会增加0.3m/s,其变化率变大，根据微分的概念，将其变化曲线微分成n以0.1℃为区间的段函数，该区间内的函数可以看成一个个线性函数，例如假设t1=50℃,对应的声速为1542.5m/s,t2=50.1℃,其对应的声速为1542.6m/s,起变化率为K1,通过计算K1=1。以此类推：
可以分别获得超声波在温度区间［50℃,75℃］、［75℃,100℃］内的声速随温度的变化率K1,K2,K3……Kn,(0<n<250),K1',K2',K3'....Kn,(0<n<25)。将所求得的变化率整理为一次一元函数，拟合为：
C0=-0.0554T+4.0528
上式中T为管道流体温度；C0为超声波在管道流体中的传播速度。对上式函数求原函数，可得原函数：
C0=-0.0277T2+4.0528T+C
式中C为固定值常数，通过测量温度与声速对应关系以及分析大量实验数据,参考实习期间校正超声波水表经验，将C取值为1409.5,这样可以求出声速与管道流体温度的补偿函数关系式：
C0=-0.0277T2+4.0528T+1409.5
根据传感器采集到管道流体温度可以计算出对应温度下超声波声速，当温度T=50℃,依据上式计算得出C0=1542.89m/s,查寻实验数据可得T=50℃时C0=1542.5m/s,经验式法所计算出的声速与实际测得声速相差0.39m/s，测量误差为0.025%,可以忽略不计，可见经验式法对于声速测量具有良好的准确性。通过补偿之后的声速值可以提高超声波流量计检测精度检测精度。
四、小结
超声波流量计已经过了几十年的发展，随着电子技术的发展和超声波技术的普及、可靠性提高，其已然成为了流量测量的理想选择。与此同时，它的发展也存在着测量精度进一步优化的空间。文中提出了“经验式法”对基于流体温度变化的超声波流量计检测精度进行修正，并取得较好的效果。
参考文献
[1]杜晓泽,刘胜祥.时差法超声波流量计流量系数影响因素分析[J].工业计量,2019,29(02).
[2]穆海辉.超声波流量计计量精度影响因素研究[J].化学工程与装备,2019(06).