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超声波流量计的测量原理及结构

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超声波流量计的测量原理及结构
点击次数: 发布时间:2016-05-15
超声波流量计是由超声波换能器将电能转换为超声波能量,并将此能量发射到被测流体中,被接收换能器接收后将之转换为代表流量并易于检测的电信号的仪器。它可以实现流量的检测和显示。超声波流量计内部没有活动部件和障碍物,因此带来的管道压力损失基本可以不用考虑。由于测量的对象信号属于电信号,因此在现有的电子技术、微机计算能力以及信号检测技术飞速发展的条件下,可以获得很高的测量进度和测量范围。超声波流量计的计算精度的主要限制是其获取的信号属于间接信号,需要经过各种换算之后才能推导出最终的流动速度和流量,其采用的流动模型准确程度决定了整个测量精度的高低。

⑴基本原理

   超声波对液体、固体的穿透能力很强,尤其是在阳光下不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。   另外,当超声波碰到流体中的杂质或分界面时会产生显著的反射回波,碰到活动的物体能产生多普勒效应。根据这两种现象,可以制造两类不同的超声波流量计。
①超声波时间变化法
   利用超声波的传播速度随流体的流速变化而发生变化的原理,通过测超声波脉冲传播线路的平均流速就可测量流速。
②超声波多普勒法
   利用流体中的微小杂质(反射物体)的移动速度所产生的超声波多普勒效应,通过测超声波束交差区域的流速(相当于点的流速)就可测量流速。
   超声波流量计根据测量原理的不同,种类较多,大致可以分为以下几类:传播速度法(时差法、相位差法和频差法)、多普勒法、相关法、波束偏移法等。但是目前最常采用的测量方法主要有两类:时差法和多普勒效应法。同时,根据超声波流量计使用场合不同,可以将之分为固定式超声波流量计便携式超声波流量计。下面主要介绍时差法和多普勒效应法两种方法。

⑵时差法

   超声波在流体中传播时,传播速度因流体运动状态不同(静止或流动)而不同。时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。若静止流体中的音速为c,流体流动的速度为v,则超声波的传播方向与流体的流向一致时,其传播速度为c+v,反之为c-v。
   图1所示为脉冲传播速度变化法测量的原理,将相距为L的两个转换器T1、T2设置于流体中,观测转换器之间超声波的传播时间。
超声波流量计时差法测量原理图
首先,从T1发射与流体方向一致的超声波,其超声在流体中传播,设到达T2的时间为t1,再从T2逆流发射超声波脉冲,设到达T1的时间为t2,则传播时间为
超声波流量计时差法测量原理计算公式一
流速v的单位一般为m/s,当流体为水时,声速c为1500m/s,故c>>v,则
超声波流量计时差法测量原理计算公式二
由于L、c已知,因而流速与传播的时间△t成正比,利用这种方法测量流速的方法称为时间法。

⑶多普勒法测量原理

多普勒效应指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的现象。对于静止的接收器,接收从运动着的物体发射出来的波,所接收到的波的频率取决于波源的速度;向运动的物体发射波时,发射回来的波的频率也取决于运动物体的速度,频率的变化与两者之间的相对速度成正比。超声波多普勒流量计就是基于多普勒效应测量流量的。如图4所示为多普勒法超声波流量计的测量原理图。
多普勒法测量原理图

⑷超声波流量计结构

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示系统组成。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;接收器接收到超声波信号后,经电子线路放大并转换为代表流量的电信号,供给显示和计算仪表进行显示和计算。这样就实现了流量的检测和显示。
为实现流量(流速)测量,首先需要有一个发射超声波的换能器(俗称超声波探头),超声波换能器通常由锆钛酸铅陶瓷灯压电材料制成,通过电致伸缩效应和压电效应来发射和接收超声波。
换能器在管道上的配置方式分为:Z式(透过式)、V式(反射式)和X式(交叉式),如图5
超声波流量计换能器在管道上安装方式图
发射超声波时是利用负压电效应,即利用高频电脉冲的作用,使压电晶体高频振动,从而发出脉冲变化的高频压力波(即超声波)。超声波以某一角度射入流体中传播,然后由装在管道对面的接收换能器接收。接收换能器则利用正压电效应,将高频压力波又转换高频的电脉冲信号。

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