超聲波流量計的測流原理介紹

當隨流體以速度v運動的顆粒流向聲波發(fā)生器時，顆粒接收到的聲波頻率f1為：

因此，聲波接收器和發(fā)生器間的多普勒頻移Δf為：

以上各式中：θ為聲波方向與流體流速v之間的夾角，f0為聲源的初始聲波頻率，c為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若c>>vcosθ則

式(11)、(12)是按單個顆粒考慮時，測得的流體流速和流量。但對于實際含有大量粒群的水流，則應(yīng)對所有頻移信號進行統(tǒng)計處理。超聲波多普勒流量計的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見圖4。換能器接收到的反射信號只能是發(fā)生器和接收器的兩個指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)顆粒的反射波，這個重疊區(qū)域稱為多普勒信號的信息窗。換能器所收到的信號就是由信息窗中所有流動懸浮顆粒的反射波的疊加，即信息窗內(nèi)多普勒頻移為反射波疊加的平均值。

平均多普勒頻移Δ-f可以表示為：

式中Δ-f——信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；
ΣNi——產(chǎn)生多普勒頻移Δfi的粒子數(shù)；
Δfi——任一個懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移。

由上可知，該流量計測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，因此要求信息窗應(yīng)位于管渠內(nèi)接近平均流速的部位，才能使其測量值反映管渠內(nèi)流體的平均流速。

圖4多普勒信息窗示意圖

3超聲波流量計的分類

3.1根據(jù)超聲波聲道結(jié)構(gòu)類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計

單聲道超聲波流量計是在被測管道或渠道上安裝一對換能器構(gòu)成一個超聲波通道，應(yīng)用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但這種流量計對流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，測量精度不易控制，一般用于中小口徑管道和對測量精度要求不高的渠道。多聲道超聲波是在被測管道或渠道上安裝多對超聲波換能器構(gòu)成多個超聲波通道，綜合各聲道測量結(jié)果求出流量。與單聲道超聲波流量計相比，多聲道流量計對流態(tài)分布變化適應(yīng)能力強，測量精度高，可用于大口徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管渠。