超声波流量计的结构原理及流量公式计算

超声波流量计的结构原理及流量公式计算超声波流量计是一种新型流量计，它分为能动型和被动型两大类。能动型根据工作原理不同又可分为速度差法（超声波在顺流与逆流中传播速度之差与介质流速有关)、射束位移法（在流体中传播的超声波束会因流体的流动而产生偏移，此方法宜测高速流体的流量，准确度较低）和多普勒效应法（对液体中心的悬浮物连续发射超声波，测量与流束有关的反射波的频率移动。此方法适用于液体中含有大量异物和气泡等的场合）。被动型是测量流动产生的声音，也叫听音法。本节简要介绍速度差法。一、超声波概述超声波是一种机械波，是机械振动在媒质中的传播过程。20kHz以上频率的机械波称为超声波，其波长较短，近似直线传播，在固体和液体媒质内衰减比电磁波小，能量容易集中，可形成较大强度，产生剧烈振动，并能引起很多特殊作用。用来发射和接收超声波的装置称为超声波换能器，超声波换能器可分为发射换能器和接收换能器两大类。发射换能器是使其他形式的能量转换为超声波的能量，而接收换能器是使超声波的能量转换为其他形式易于检测的能量。流量测量中常采用压电换能器，制作压电换能器的材料有压电单晶体（如石英）和多晶压电陶瓷（如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷等）。压电片的振动方式有薄片的厚度振动、纵片的长度振动及横片的长度振动等。二、超声波流量计原理超声波在顺流与逆流中传播速度之差与介质流速有关，测得介质流速即可得出流量。超声波在顺、逆流中传播情况如图5-16所示。测定传播速度差的方法很多，主要有时间差、相位差和频率差等方法。超声波在管壁间的传播轨迹如图5-17所示。三、流量公式1-时间差法设静止流体中的声速为c，流体流速为w，流体静止时超声轨迹与管道轴线之间的夹角为θ,管道直径为d，则(1)顺流传播时间为(2)逆流传播时间为式中T—超声波在管壁内和电脉冲信号在电路中传输所产生的滞后时间的总和。(3)时间差即(4)流量公式存在的问题：①声速c受介质温度、密度等变化的影响，且声速的温度系数并非常数。当声速变化时，由此产生的流量测量的相对误差将等于声速相对误差的两倍；②时间差Ar的数量级很小。例如D=300mm，v=1.33m/s,c=1500m/s,θ=20°时，∆t=1×10-6s。如果要保证1%的准确度，则要求测量时间差∆t达到0.01μs的准确度，所以对电子线路的要求很高，并且限制了测量流速的下限。时间差法超声波流量计原理如图5-18所示。2.相位差法.如果换能器发射连续超声波或者发射周期较长的脉冲波列，则在顺流和逆流发射时接收到的信号之间就产生了相位差∆φ=ω∆t，而ω=2πf，则流速公式为式中ω—角频率；∆φ—顺流和逆流发射时接收到的超声波信号之间的相位差。可见相位差和频率成正比，频率越高，测量的灵敏度也越高。采用相位差法可以消除声速的影响。3.频率差法在管壁的斜对面固定两个超声波换能器，并兼作超声波发送和接收单元。由一侧的换能器产生的超声波脉冲依次穿过管壁、流体、管壁为另一侧的换能器所接收，并转换为电脉冲，经放大后再用此电脉冲来激发对面的换能器，形成单环自激振荡，振荡周期由超声波在流体中的顺流传播速度决定。周期的倒数即单环频率。一定时间间隔以后，切换电路使发射换能器切换成接收换能器，接收换能器切换成发射换能器，测出取决于超声波在逆流中传播速度的单环频率。如此循环交替地测出f1、f2。式中f1、f2—超声波在顺流和逆流中传播的频率；v—流体平均流速。当D、θ、τ、c为常数时，频率差∆f与流体平均流速成线性关系，因此，只要测出频率差即可得到流量。由于τ很小，在大口径管道中括号内的第二项可忽略，去掉滞后时间τ后可得体积流量qv与频率差∆f的关系为式中K—流量修正系数，可查表；f0——超声波基准频率。超声波流量计属于非接触式测量仪表，对流体流动无干扰，无阻力，不产生压力损失；受介质物理性质的限制比较少，适应性较强。它可用于高温、高压、防爆、强腐蚀性、黏性、非导电、浑浊度大的液体的流量测量，而且准确度高；量程比较宽，可达5:1;输出与流量之间为线性；安装方便。只要将管外壁打磨光，擦上硅油，使其接触良好即可。其缺点是当液体中含有气泡或有噪声时，会影响声波传播；结构复杂，成本高。超声波流量计实际测定的是流体速度，它将受速度分布不均的影响，故要求变送器前后分别有10D和5D的直管段长度。