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超声波流量计原理

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种
非接触式仪表，适于量测不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量量测。使用超声波流量比不用在流体中安装量测元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。
  众所周知，目前的工业流量量测普遍存在着大管径、大流量量测困难的问题，这是因为一般流量计随着量测管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量量测仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的量测。在发电厂中，用便携式超声波流量计量测水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体量测。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。
  另外，超声量测仪表的流量量测准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式量测仪表，故可解决其它类型仪表所难以量测的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量量测问题。另外，鉴于非接触量测特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径量测和多种流量范围量测。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量量测。
  超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于量测200℃以下的流体。另外，超声波流量计的量测线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m／s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量*大也是10 －3 数量级．若要求量测流速的准确度为1％，则对声速的量测准确度需为10 -5 ～10 -6 数量级，因此必须有完善的量测线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。
  超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。
  超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。
  超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。
  超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。
  根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型，如图所示。其中以噪声法原理及结构*简单，便于量测和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量量测准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过量测超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大．多普勒法是利用声学多普勒原理，通过量测不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量量测。相关法是利用相关技术量测流量，原理上，此法的量测准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而量测准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。在微处理机普及应用后，这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。

  以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质．流速分布情况、管路安装地点以及对量测准确度的要求等因素进行选择。一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量量测误差。多普勒法适于量测两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。

超声波多普勒流量计量测原理
1．基本工作原理
  超声波多普勒流量计的量测原别是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比．
  在超声波多普勒流量量测方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据．发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产少的声波多普勒频移．由于这个频率差正比于流体流速，所以量测频差可以求得流速．进而可以得到流体的流量．
  因此，超声波多普勒流量量测的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质．这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量量测方法适宜于对两相流的量测，这是其它流量计难以解决的问题．因此，作为一种极有前途的两相流量测方法和流量计，超声波多普勒流量量测方法目前正日益得到应用．
2．流量方程
  假设，超声波波束与流体运动速度的夹角为，超声波传播速度为c，流体中悬浮粒子运动速度与流体流速相同，均为u．现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为例，导出声波多普勒频差与流速的关系式．
  当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒，该粒子以速度u沿营轴线运动．对超声波发射器而言，该粒子以u cos a的速度离去，所以粒子收到的超声波频率f2应低于发射的超声波频率f1，降低的数值为
f2－f1＝－ f1 （3－73）
即粒子收到的超声波频率为
f2＝f1－ f1 （3－74）
式中 f1――发射超声波的频率；
a――超声波束与管轴线夹角；
c――流体中声速。
  固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以u cos a 的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f3又一次降低，类似于f2的计算，f3可表示为
f3＝f2－ f2 （3－75）
将f2的表达式代入上式，可得：
f3＝f1（1－ ) 2
＝f1（1－2 ＋）（3－76）
  由于声速c远大于流体速度u，故上式中平方项可以略去，由此可得：
f3＝f1（1－2 ）（3－77）
  接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之差，即多普勒频移 f1，可由下式计算：
f＝f1－f3＝f1－f1（1－2 ）
＝f1 （3－78）
由上式可得流体速度为
u＝ f （3－79）
体积流量qv可以写成：
qv＝uA＝ f （3－80）
式中，A为被测管道流通截面积．
出以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流量成正比，量测频移 f就可以得到流体流量qv。
5．关于流量方程的几点讨论
(1)流体介质温度对量测的影响
由流量方程可见，流虽量测结果受流体中的声速c的影响．一般来说，流体中声速与介质的温度、组分等有关，很难保持为常数．为了避免量测结果受介质温度、组分变化的影响，超声波多普勒流量计一般采用管外声楔结构，使超声波束先通过声楔及管壁再进入流体。设声楔材料中的声速为c1；流体中声速为c；声波由声楔进入流体的入射角为；在流体中的折射角为；超声波束与流体流速夹角为a；见图3－40所示，根据折射定理，有：
＝＝
代入流量关系式，可得：
qv＝ f （3－81）
由此式可见，采用声楔结构以后，流量与频移关系式中仅含有声楔材料中的声速c1而与流体介质中的声速c无关．而声速c1温度变化要比流体中声速c随温度变化小一个数量极，且与流体组分无关．所以，采用适当材料制造声楔，可以大幅度提高流量量测的准确度．
(2)信息窗与平均多普勒频移
为有效地接收多普勒频移信号，超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，见图3—41所示．由图中可见，换能器接收到的反射信号只能是发射晶片和接收晶片的两个指向性波束重叠区域内的粒子的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗
图3－40 声楔与声波的折射
流量计接收换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮粒子的反射波叠加，即其信息窗内多普勒频移为叠加的平均值．平均的多普勒频移 f可以表示为
f＝（I＝1，2，3…）（3－82）
式中 f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；
Ni——产生多普勒频移 fi的粒子数；
fi－一任一个悬浮粒子产生的多普勒频移．
从上述讨论可知，该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，所以要求信息窗应位于管内接**均流速的区域上，才能使其量测值能反映管内流体的
平均流速．但是管内平均流速区域的位置是一与雷诺救有关的函数，当管内流动的雷诺数Re发生变化时，其平均流速区域位置也将改变．而一旦流量计安装完毕，其多普勒信息窗位置就固定了，为使测得的多普勒频移信号 f能在不同雷诺数Re条件下均能正确地反映流量值，在流量计算公式中引入流速修正系数K．流速修正系数K是雷诺数Re和信息窗位置的函数，用它来对因上述原因引起的量测误差进行修正．因此，超声波多普勒流量计的实际流量计算式可以写成：
qv＝（3－83）式中，符号意义同前。

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