超聲波流量計（jì）的測量原理及結構

超聲（shēng）波流量計是由超聲波換能器將電能（néng）轉換（huàn）為超（chāo）聲波能量，並將此能量發射到被測流（liú）體（tǐ）中，被接收換能器接收後將（jiāng）之轉換為代表流（liú）量並易於檢測的電信號的儀器。它可以實現流（liú）量的檢測和顯示（shì）。超聲波流量計內部沒有（yǒu）活動部件和障礙物，因此帶來的管道壓力損（sǔn）失基本可以（yǐ）不（bú）用考慮。由於測量（liàng）的對象信號屬於電（diàn）信號（hào），因此在現有的電子技術、微機計算能力以及信號檢（jiǎn）測技術飛速（sù）發展的條件下，可以獲得很（hěn）高的測量進度和測量範圍。超聲波流量計的（de）計算精度的（de）主要限製是其獲取的信號屬於間接信號，需要經過各種（zhǒng）換（huàn）算（suàn）之後才能推導出*終的（de）流動速度和流量，其采用的流動模型（xíng）準確程（chéng）度決定了整個（gè）測量精度（dù）的高低。

⑴基本原理

   超聲（shēng）波對（duì）液體、固體的穿透能（néng）力很強，尤其是在陽光下不透明的（de）固體（tǐ）中，它可穿透幾十米的深度。超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有（yǒu）關。   另外，當超聲波碰到（dào）流體中的雜（zá）質或分界麵時會產生顯著的（de）反射回波，碰到活動的物（wù）體能產生（shēng）多（duō）普（pǔ）勒效應。根據（jù）這（zhè）兩種現象，可以製造兩類不同的超聲波流量計。

①超聲波時間變化法

   利用超聲（shēng）波的傳播速度隨流體的流速變化而發生變化的原理，通過測（cè）超聲波脈（mò）衝傳播線路的平均（jun1）流速就可測量流速。

②超聲波多普勒法

   利用流（liú）體中的微小雜質（zhì）（反射（shè）物（wù）體）的移動速度所（suǒ）產生的超聲波多普勒效應，通過測超聲波束交差區域的流速（sù）（相當於點的流速）就可測量流速。

   超聲波流量計根據測量原理（lǐ）的不同，種（zhǒng）類較多，大致可以分為以下幾類：傳播速度法（時差法、相位差法和頻（pín）差法）、多普（pǔ）勒法、相（xiàng）關法、波束偏移法等。但是目前*常（cháng）采用的測量方法主要有兩類（lèi）：時差法和多普勒效（xiào）應法（fǎ）。同時，根據（jù）超（chāo）聲波流量計使用場合（hé）不同，可以將之分為固定式超聲波流量計和（hé）便攜式超（chāo）聲（shēng）波流量計。下麵主要介紹（shào）時差法和多普勒效（xiào）應法兩種方法。

⑵時差法

   超聲波在流體（tǐ）中傳播時，傳播速度因流體運動狀態不同（靜止或流動）而（ér）不（bú）同。時差法就是測量超聲波脈衝順流和逆流時傳播的時間差。若靜止（zhǐ）流體中的音速為c，流體流動的速度為v，則超聲波的傳播方向與流體（tǐ）的流向一致時，其傳（chuán）播速度為c＋v，反之為c-v。

   圖1所（suǒ）示為（wéi）脈衝傳播速度（dù）變化法測量的原理，將相距為L的兩個轉換器T1、T2設置於流體中，觀測轉換器之間超聲波的傳播時間。

*先，從（cóng）T1發射與流體方向一致的超聲波，其超聲在流體中傳播（bō），設到達T2的時間為t1，再從T2逆流發射超聲波脈衝，設到達T1的時間為（wéi）t2，則傳播（bō）時間為（wéi）

流速v的單位一般為m/s，當流體為水時，聲速c為1500m/s，故c＞＞v，則

由於L、c已知，因而流速與傳播的時間△t成正比，利用這種方法測量流速的方法稱（chēng）為時間法。

⑶多普勒法測量原理

多普勒（lè）效應指（zhǐ）當聲（shēng）源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所（suǒ）感受到的聲頻率將不同於聲（shēng）源所發出的頻率的現象。對（duì）於靜止的（de）接收器，接收從運動著的物體發射出來的（de）波，所接收到的波的頻率取決於波源的速度；向運動的物體發射波時，發射回（huí）來的波的頻率也取決（jué）於運動物體的速度，頻率的變化與兩者之間的相對速（sù）度成正比。超聲（shēng）波多普勒流量計就（jiù）是基於多普勒效應測量流量的。如圖4所（suǒ）示為多普勒法超聲波流量計的測量原理圖（tú）。

⑷超聲波流量計結構

超聲波流量計由超聲波換能器（qì）、電子線路（lù）及流量顯示係統組成。超聲波發射換能器將（jiāng）電能轉換為超聲波能量，並將其發射到被測流體中；接收器（qì）接收（shōu）到超聲波信號後，經電子線路（lù）放大並轉換為代（dài）表流量的電信號，供給顯示和計算儀表進行顯示和計算。這樣就實現了流量（liàng）的檢測和顯示。

為實現流量（流速）測（cè）量，*先需要有一個發射超聲波的（de）換能器（俗稱超聲波探頭），超聲波（bō）換能器通（tōng）常由鋯鈦（tài）酸鉛陶（táo）瓷燈壓電材料製成，通過電致伸縮效應和壓電效應來發射和接收超聲波。

換能器（qì）在管道上的配置方式分（fèn）為：Z式（透過式）、V式（反射式）和X式（交（jiāo）叉式），如圖5

發射超聲波時是利用負壓電效應，即利用高頻電脈衝的作用，使壓電晶體高頻振動，從而發（fā）出脈衝（chōng）變化的高頻壓力波（即超聲波）。超聲波（bō）以某一角度射入流體（tǐ）中傳（chuán）播，然（rán）後由裝在管道（dào）對（duì）麵的接收換能器接收。接收換能器（qì）則利用正壓電（diàn）效應，將（jiāng）高頻壓（yā）力波又轉（zhuǎn）換高頻的電脈衝信號（hào）。