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技术知识 |
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| 超声流量计的测量原理 |
| 来源:西安西德仪器仪表有限公司 日期:2023-11-21 |
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超声流量计按测量原理，可以具有多种不同的形式。它们所依据的原理如下。
1）传播速度差法；
2）多普勒法；
3）波束偏移法；
4）噪声法；
5）旋涡法；
6）相关法；
7）流速-液面法。
上述各种方法用于流量测量各有特点，可以根据被测流体、精确度要求等的不同，予以选择。从精度上看，传播速度差法较好。
超声流量计测量原理是通过测量流体的流速来换算成流体的质量流量qm'其关系为
式中，密度ρ取决于流体介质及工况，流通截面A主要取决于管道状况及工况，一般均能精确地测得。所以测量流体的流速u，便是超声流量计进行流量测量的主要目的。
超声流量计的测量原理，就是通过发射换能器产生超声波，以一定的方式穿过流动的流体，通过接收换能器转换成电信号，并经信号处理反映出流体的流速。
超声流量计的换能器常用的有压电换能器。它利用的是压电材料的压电效应。每只超声流量计至少有一对换能器：发射换能器和接收换能器。发射换能器是采用适当的发射电路，利用压电元件的逆压电效应，把电能加到压电元件上，使其产生超声波振动，超声波以某一角度射入流体中传播；接收换能器则是利用压电效应，通过接收超声波并转变为电能，实现信号检测。
换能器通常由压电元件和声楔构成。压电元件一般均为圆形，沿厚度方向振动，为保证超声波的振动方向性，其直径与厚度之比一般应大于10；而声楔则起到固定压电元件，使超声波以合适的角度射入流体的作用，对声楔的要求不仅是强度高，耐老化，而且要求超声波透过声楔后能量损失小，一般希望透射系数尽可能接近1。
超声流量计对信号的发生、传播及检测有各种不同的设置方法，构成了依赖不同原理的超声流量计，大致可分为传播速度差法（包括：时差法、相位差法、频差法）、多普勒法、波束偏移法、噪声法、旋涡法、相关法、流速一液面法。
一 传播速度差法
根据超声波在流动的流体中，顺流传播的时间与逆流传播的时间之差与被测流体的流速有关，求出流速的方法。按所测物理量的不同，传播速度差法可分为时差法，相位差法和频差法。
1.时差法
将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情况进行比较，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。如图9-1所示。
由此可见，当声速一定时，只要测出Δt，就可求得流体流速u。
2.相位差法
相位差法是利用时差法中的超声波的相位差与时间差的关系
通过测量顺、逆两个方向接收波的相位差Aψ来实现α的测量，这里f为超声波的发射频率。
3.频差法
由此可通过测量一定时间内两组闭路循环系统中的循环频率之差来测得流速。
二 多普勒法
所以可通过测量Δf得到流速
三 波束偏移法
超声波束在流体的流动影响下，其波束的方向会发生偏移。在超声波束与流动方向垂直时，这一偏移更是明显，所以利用波束偏移法进行测量的超声流量计均在垂直流速方向上发射超声波。超声波束方向的偏移，是以接收换能器所接收的波束强度的差值变化来反映的，其原理如图9-3所示。
四 噪声法
噪声法是一种对信号仅仅进行接收的无源方法。一般而言，当液体在管道内流动时，在流体中会产生紊流或涡流等，由于液体的剪切作用，在一定的频率范围内产生声波或超声波，此时产生的噪声的强度与流速成比例，通过噪声的检测可以得出流体的流速，
由于在一般的现场低频振动和电噪声很强，因而信噪比很低，通常使用高通滤波器来消除低频的影响，可在高频范围内不受干扰地进行测量。
五 旋涡法
旋涡法的测量原理如图9-5所示。换能器A发射一束连续等幅的超声波，超声波束穿过流体到达接收换能器B时，会由于流体的运动而使信号发生改变。在流体静止时，流体中无旋涡，B收到的仍是等幅超声波；当流体运动时所产生的旋涡运动速度几乎与流体运动速度相等，超声波束穿过每个旋涡时，由于旋涡对声波的折射和反射都使B收到的信号幅度被调制一次，只要能获得强旋涡，并在一个较宽的流速范围内旋涡稳定，即可根据调制频率而获得流速。
六 相关法
相关法测量流量的原理如图9-6所示，多数流体在管道内的流动是以相关方式运动的湍流模式存在的。若在管道中相隔一定间距的截面上观察它们的扰动，可见流速剖面之间存在差相关性，相关程度是随着间距的减小而增大。令所取截面的代表点为A和B（同轴上），则A点记录的信号x（τ）和B点记录的信号y（τ）在时间变量为t时，所表示的相关函数可表达为
显然，被测流速与声速无关。
七 流速-液面法
流速-液面法主要用于敞开河道、水渠和非充满管道的流量测量。其测量系统的组成有超声液位计，超声流速计和流量积算仪。液位计测得的液位用于换算成液体的流通截面积A，流速计用于求得截面平均流速u，积算仪则对信号进行计算处理，其计算公式为
需要说明的是，上述方法中，如旋涡法和相关法，虽然用超声方法检测，但通常分属涡街式流量计和相关式流量计的范畴。
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