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超声波流量计技术概况

超声流量计技术概况
——时间差法

超声波流量计技术是一门通过检测流体流动对超声束（或超声脉冲）的作用以测量流量的技术。超声波，一般定义为“人耳听不见的声音”，人耳的可听声音频率在16HZ~20kHZ之间。而超声流量计在各种液体中使用的频率，则约为100kHZ~2MHZ。超声波具有很强的方向性以及穿透、反射、折射等特性，在气体液体固体都也有良好的传播性能。正是基于超声波的这种特性，超声流量计得以长足发展。
现有的超声波测量技术主要有传播时间差法，多普勒（doppler）法，頻差法以及流速液面法等。这儿主要介绍时间差法。
时间差法

原理结构如右图所示，换能器1和2安装在水流的上下游处，主板芯片通过换能器1发出超声信号时，换能器2禁止发射处于接收状态。当换能器2接收到1发射的信号时自身转换成发射状态，此时，换能器1处于接收状态。整个过程中，系统会记录下超声波从上游换能器1到换能器2的时间T1和从下游换能器2到换能器1的时间T2。由于水流的影响，T1和T2会存在一个时间差ΔT=T2-T1,*后通过ΔT计算出水流的速度。
设超声波的传播速度为c，水流的速度为v，管道的内径为D，超声波的入射角为θ，声程为L=D/sinθ
则有上述可知：

T1=L/(c+vcosθ) （1）
T2=L/(c-vcosθ) （2）

由（1），（2）可知，超声波在顺流和逆流方向上传播的时间差为

ΔT=T2-T1=2Lvcosθ/(c^2-v^2*cos^2(θ)) (3)

由于超声波的传播速度一般在1400~1550m/s，而水流速度可参考常用流量一般v《10m/s，故c^2>>v^2*cos^2(θ)，即(3)式变为

ΔT=2Lvcosθ/c^2 (4)

通过（3）式就可以得到水流速度v 的理论公式

v=ΔT*c^2/2Lcosθ (5)

超声时差法测量水流速度的基本原理就是如上所述，但是在实际运用中却远远没有想象中的那么简单。这儿必须提到一个重要的无量纲数——雷诺数，它是判断管内流动是层流运动还是湍流运动的重要参数，其数学定义式为

Re=vD/μ

其中v是流体的平均流速（m/s）,D是流速的特征尺寸（m）,μ是工作状态下流体的运动粘度（m^2/s）.一般而言，当Re《2000时为层流状态，当Re》4320时流体状态为紊流状态,在层流，紊流及介于层流紊流之间的状态，管道内流体速度通过流体力学都可以得到一个流体速度公式。由于单声道的测量路径是沿直径的一条直线，在理想条件下即管道内壁足够光滑和充分长的直管道，线平均速度v和面平均速度vS有以下的关系式

K=v/vS

很明显，K是和管道中水流速度分布规律有关，层流和管流将对应不同的公式。在层流状态下，流量修正系数K为一个常数

K=4/3

在紊流状态下，可利用尼库拉兹（Nikurdse）的摩擦系数得到修正系数为

K=1+0.01√(6.25+431Re^(-0.237))

在流体的流动状态介于层流和紊流之间时，用布拉修斯��Blasius）摩擦系数加以修正，修正系数为

K=1-0.011log（Re）

以上是我们通过流体力学对管道内流体状态带来的测量数值的误差进行修正，而在我们的计算公式中超声波的传播速度c并非是一个常数值，它也是随着温度的变化而变化的，查表后再通过matlab模拟，我们可以得到这样的模拟图

并得到在一个大气压下水中声速和温度的关系

c=-0.02787t^2+4.066t+1409

这样的结果是不是已经就满意了呢？然而现实远远不是这样，随着测量精度的不断提高，单声道的测量方式达不到更高的要求，双声道四声道逐渐发展起来，我们期望测量更长的声程乃至获得截面。同时，由于不同换能器在转换电声信号时都会带来一定的时间延迟，甚至不同主板芯片一样带来时间差，温度、湿度、压力等等等等都是需要我们细致考虑的问题。甚至说在现代工业户用等方面，我们进步的越来越多，我们需要解决的东西也越来越多。只能说，在超声波流量计的开发和研究乃至产品和服务上，我们以及国内同行任重而道远，望大家一同进步，于行业中创造出更好的价值！（以上观点均为个人见解，仅作为参考，如果错误，欢迎指摘。本文章出上海迪纳声科技股份有限公司www.dynaflox.com.cn）

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