基于傳播時間法的時差式超聲流量計設計

超聲流量計

　　超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲束或超聲脈沖的作用來測量流量的儀表。對封閉管道用超聲流量計來說，按其測量原理可分為傳播時間法、多普勒效應法、波束偏移法、相關法等。

　　本文采用傳播時間法。超聲波在流體中傳播時，與聲波在靜止流體中傳播的速度相比，順流方向聲波傳播速度會增大，逆流方向則會減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間。利用傳播時間之差與被測流體流速之間的關系求得流速，稱為傳播時間差法。通過接收穿過流體的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據時差的表現形式不同，又可以分為時差法、相位差法和頻差法。時差式流量計工作模型如圖1所示。

　　圖1中，兩個換能器固定在輸液管道的同一側，聲波從換能器T1發出，經過輸液管道另一側的內壁，反射到接收換能器T2。兩個換能器也可以固定在輸液管道的上下兩側，聲波由換能器T1發出，直接傳播到換能器T2。發射和接收聲波的振子密封在換能器的腔體里，其輻射面與端面成一個角度θ1，腔體里用透聲材料填充。由于換能器中填充材料、管道材料、管道中流體材料的不同，它們的聲速也不同，因此聲波傳播到介面處會有折射。這里假設折射角為θ2、θ3。流量計在工作時，換能器T1、T2輪流做發射和接收。因為管中的液體是流動的，聲波由T1傳到T2(正程)和由T2傳到T1(逆程)的傳播時間是不同的。正程、逆程兩個傳播時間的差反映出液體的流速、流量。

　　以換能器T1為例。聲波由A到B再傳到C，在這一段傳播過程中，因為沒有流體參與，傳播時間是固定不變的。在這里，把聲波在換能器填料、管壁中傳播時間記為t延。在尋找正程與逆程之間的時間差時，不必考慮t延，只考慮在液體中傳播的正程、逆程的傳播時間差就可以了。

　　這里，設D為輸液導管內徑;d為壁厚;V流為液體流動速度;V介為液體的聲速;θ3為折射角;t正為聲波由T1到T2的傳播時間;t逆為聲波由T2到T1的傳播時間。

　　用聲學模型可得如下公式：

　　由上述推導可以看出，只要得到t正和t逆，管道中的液體流速V就可以算出。時差法與頻差法和相位差法之間原理方程式的基本關系為：

　　式中：Δf為頻率差;Δφ為相位差;f正、f逆為超聲波在流體中順流和逆流的傳播頻率;f為超聲波的頻率。

　　從中可以看出，相位差法本質上和時差法是相同的，而頻率與時間又互為倒數關系，三種方法沒有本質的區別。

　　普通方法測量時間差