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时差法超声波流量计原理及应用案例 |
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作者：牛朋恩 薄秀江 程浩 |
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引言
超声波流量计主要用于气体、液体和蒸汽的体积流量测量，在冶金、化工、食品加工、标准计量等领域有着广泛的应用。超声波流量计已有几十年的历史，在原理上主要利用多普勒效应法和时差法。多普勒效应法需要流体中含有反射物质，主要应用于两相流体的检测，此处主要探讨时差法检测。
1 时差法原理
超声波有两个重要的特性：定向性，它频率高且短，可以象光波一样沿直线传播；可以在气体、液体、固体中传播。所以大部分流体介质都能用超声波原理检测。它的测量方法可简单比喻为在河流上渡船摆渡的过程，顺流摆渡渡船到达对岸所需的时间要比逆流的少。河流的流速越大，顺流的速度越快，而逆流所需的时间越长。顺流和逆流所需时间的时间差直接与河流的流速有关。在超声波流量计中超声波好比渡船，河流流速等于流体的流速。电声变换器发送和接受的短促声脉冲信号穿过管道中流动的介质。两个变换器分别安装在纵向有偏移的测量管道两侧。这时超声波顺流和逆流传播的时间差与流体的流速成正比。时差法原理如图1所示。
1.1 基本原理
在直型管道中由发送器（S）以与流动方向成锐角的方式发射穿过流动气体或液体的超声波，并用一个接收器（E）接收信号。
图1 时差法原理
在静态液体中，从发送器到接收器超声波运动的速度为c，液体流动的速度为υ，在观察点O处流动速度υ在超声波运动方向上的速度分量是Vα，在流动液体中与此相应的超声波速度为：
c1=c+Vα=c+cosα
如果把发送器和接收器互换，那么速度分量的方向与超声波运动方向相反，超声波的速度为：
c2=c-Vα=c-cosα
当测量距离l已知时，由在测量距离l上的流体平均速度来确定测量时间t1。该时间是顺流时超声波运行距离l所需的时间。但是超声波速度与液体的温度有关，为了补偿温度对测量结果的影响，必须在顺流和逆流两个方向上同时发射超声波，以便同时考虑加以计算。这样，用超声波信号前边缘检测的时间t1和t2为：
由此导出流体V平均流速为：
在测量路径长度L、倾角α以及管道几何尺寸不变的前提条件下，能通过测量2个计时时间t1和t2计算管道的平均速度和静态声速。
两脉冲运行的时间差为：
式中，D为管道的直径。
时间差与沿测量管道方向的平均流速精确地呈线性关系（超声波声道）。但时间差的量值很小，所以时间信号检测非常重要。
1.2 时间信号的检测方法
在时间检测过程中，控制发送的压电脉冲和处理接收信号的测量变送器必须保证有很高的时间分辨率。检测方法经历了过零点检测、相关测量分析以及抗干扰能力和测量精度有很大改善的复杂数字信号处理等阶段。
1.3 发送器和接收器的原理
超声波发送器的种类很多，大致可分为机械和电声两大类。在超声波流量计中通常使用电声型发送器。
电声型超声波发送器把电磁能量转换为机械波的能量。这种能量转换通过电声换能器完成。电声转换器的作用是将高频电源的电磁振荡能量转换为机械振动能量发出超声波。最常用的为压电式，压电式换能器使用逆压电效应产生超声波，从几十千赫到几十兆赫，非常适合工业使用。
1.4 多声道检测
根据介质的雷诺系数，流体可分为层流和紊流。虽然在基本原理中超声波流量计采用理想的平均速度进行计算，但实际上波速和流速在微观上形成合成速度的关系很复杂，很难采用简单平均的方法进行计算。
为了精确地测量与雷诺系数无关的流量值，自1978年以后就采用双声道测量法，测量精度大大提高。在粘度已知的条件下从层流向紊流的过渡过程中，双声道超声波流量计的示值相对测量误差可达到0.5％。
虽然双声道方法使测量精度得到提高，但未能区别出流速所处的状态，为了进一步提高测量精度，现在多声道测量法被越来越多地使用，它能更详细地描述流速分布曲线形状，以便对测量精度进行补偿。从层流到紊流状态过渡时，它的允许示值相对测量误差可达到±0.15％。
2 特点
（1）信号自动跟踪，温度自动补偿，因此运行稳定、可靠。
（2）属于非接触性测量，安装方便，不损坏管道，并且能广泛地应用于水、气、酸、碱等介质。
（3）结构简单，维护量小。
（4）无节流部件，没有压损，有利于节约能源。
3 安装要求
（1）选择充满流体、易于超声波传输的管段，如垂直管段（流体向上流动）或水平管段。
（2）安装距离应选择上游大于10倍直管径、下游大于5倍直管径以内无任何阀门、弯头、变径等均匀的直管段，安装点应远离泵、高压电和变频器等干扰源。
（3）充分考虑管内壁结垢状况，尽量选择无结垢的管段进行测量。实在不能满足时，需把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。
（4）要保证测量点处的温度和压力在传感器可工作范围以内。
（5）2个传感器必须安装在管道轴面的水平方向上，并且在轴线水平位置±45°范围内，以防止上部有不满管、气泡或下部有沉淀等现象影响传感器正常测量。
4 结语
随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及、成本的下降和可靠性的提高，不论是技术方面还是经济方面，超声波测量仪器都是流量测量的理想选择。(end)
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(9/4/2013) |
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