超聲波流量計(jì)的測(cè)流原理介紹

1引言

利用超聲波脈沖測(cè)量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快。基于不同原理，適用于不同場(chǎng)合的各種形式的超聲波流量計(jì)已相繼出現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門，正日趨成為測(cè)流工作的首選工具。

2超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)常用的測(cè)量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時(shí)差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測(cè)量超聲波脈沖順?biāo)骱湍嫠鲿r(shí)速度之差來反映流體的流速，從而測(cè)出流量；多普勒法的基本原理則是應(yīng)用聲波中的多普勒效應(yīng)測(cè)得順?biāo)骱湍嫠鞯念l差來反映流體的流速?gòu)亩贸隽髁俊?

2.1時(shí)差法測(cè)量原理

時(shí)差法測(cè)量流體流量的原理如圖1所示。它利用聲波在流體中傳播時(shí)因流體流動(dòng)方向不同而傳播速度不同的特點(diǎn),測(cè)量它的順流傳播時(shí)間t1和逆流傳播時(shí)間t2的差值,從而計(jì)算流體流動(dòng)的速度和流量。

圖1超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

設(shè)靜止流體中聲速為c，流體流動(dòng)速度為v，把一組換能器P1、P2與管渠軸線安裝成θ角，換能器的距離為L(zhǎng)。從P1到P2順流發(fā)射時(shí)，聲波傳播時(shí)間t1為：

從P2到P1逆流發(fā)射時(shí)，聲波的傳播時(shí)間t2為：

一般c>>v，則時(shí)差為：

單聲道測(cè)試系統(tǒng)只適用于小型渠道水位和流速變化不大的場(chǎng)合。大型渠道水面寬、水深大，其流速縱橫變化也較大，須采用多聲道超聲波測(cè)流才能獲得準(zhǔn)確的流量值，見圖2。應(yīng)用公式(5)、(6)可測(cè)得流量Q。

以上各式中：d為垂直于水流方向上兩換能器之間水平投影的距離，為聲道數(shù)，S為兩聲道之間的過水?dāng)嗝婷娣e。

圖2多聲道超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

2.2多普勒法測(cè)量原理

多普勒法測(cè)量原理，是依據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，檢測(cè)其多普勒頻率差。超聲波發(fā)生器為一固定聲源，隨流體以同速度運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該固體顆粒可把入射的超聲波反射回接收器。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以通過測(cè)量頻率差就可以求得流速，進(jìn)而可以得到流體流量，如圖3。

圖3多普勒超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖