超聲波流量計的測量原理包括哪些方麵

1、聲學基（jī）礎

19世（shì）紀時德國科（kē）學家克拉尼通過實驗驗證20kHz是人耳（ěr）能聽到聲（shēng）波頻率的上限（xiàn）。而後，人們把超過人聽覺（jiào）範圍(2OkHz以（yǐ）上)的聲波稱為超聲波。在（zài）自然界，動物能識別超聲波的*高頻率是:狗25kHz;鯨魚100kHz;蝙蝠175kHz。

超聲波有2個重要的性能。*一是定向比（bǐ）。因為超聲（shēng）波頻率很高和波長很短，所以它可以像光波那樣沿直線傳播，而不（bú）像頻率較低的聲波要繞物體前進。*二是（shì）超聲波（bō）能在氣體、液體和固體中傳播。在不（bú）同的物質中（zhōng）超聲波的傳播速度各不相同。超聲波在介質中傳（chuán）播的速度為c。它在不同介質中的傳播速度見表 5.1。

在測量流體（tǐ）時，為了使超（chāo）聲波在傳播中減少阻尼，通常:

·超聲波對氣體介質測量采（cǎi）用頻率數量級是100kHz;

·超聲波對液體介（jiè）質測量采用頻率數量級是1MHz;

·超聲波對（duì）小口徑管道液體介（jiè）質測（cè）量采用頻率數量級是2MHz。

2、超（chāo）聲波多（duō）普勒測量原理

多（duō）普（pǔ）勒超聲（shēng）波流量計的工作原理類似於用於（yú）交通的雷達測速方（fāng）法。

發（fā）射（shè）部件以（yǐ）角度a和頻率fl(約IMHz一5MHz)向流動的液體發射超聲波。該超聲波在傳播過程中碰到在超聲波場中以速度vp運動的粒子（zǐ）。頻率為f1的發射波波長是

λ=c/f1

由於粒子以vp速度運動，以運動粒子（zǐ）作為參考係，接收從發射單元發出的超聲波波長為

λp=（c-vp·cosa）/f1

再以接收單元為（wéi）參考（kǎo）係，得到從粒子上（shàng）反射的超聲波（bō），它的波長變化為

λ2=（c-2·vp·cosa）/f1

對次（cì）得出

由（yóu）於vp》c，得到的頻率差為（wéi）

此（cǐ）頻率差與粒子運動的速度vp呈線性關係（見圖5.2）。

多普勒超聲波流量（liàng）計（jì）的優點:

·在已有的管道中安裝簡單;

·無活動部件，無（wú）摩（mó）擦。

多普勒超聲波流量計的缺點和限製:

·測量方法要求（qiú）介質必須連續，並含有足夠的反射粒（lì）子;

·粒子具（jù）有（yǒu）足夠大的尺寸，以便能進行良好反射(λ/4);

·在粒子材料中（zhōng）的超聲波傳播速度應與在被（bèi）測流體中的傳播速度相差很大;

·在被（bèi）測（cè）流休中超聲波的傳播速度直接包含在（zài）測量結果中;

·通（tōng）常粒子的速度與流（liú）體的（de）速度有明顯（xiǎn）的（de）偏差(滑差);

·大多數情況下超（chāo）聲波聲場僅能（néng）測反射物質相遇點（diǎn）的速度，這樣顯（xiǎn）示值對流速（sù）分布有很大的（de）依賴性;

·流體的流速必須遠遠大於粒子產生（shēng）沉澱（diàn）的臨界（jiè）速度;

·為（wéi）了保持良好的流體流動的（de）性能需要很（hěn）長的無幹擾入口管道(20倍於管道口徑的長度)。

多普勒超聲波流（liú）量計的主要應用領域如下:

·醫（yī）學應用(血流*檢測)。這裏絕對精度不起作（zuò）用。僅要求良（liáng）好的（de）動態（tài）性能，詳（xiáng）細重複診斷在血管中血（xuè）液的脈動情況(類似於心電圖)。在無幹擾情況（kuàng）下簡單和無需出血地把測量探頭貼放在皮膚上(帶耦合脂肪)。

·礦漿的流量測量(如鐵礦石)。這裏天然的礦粒子溶度很高。粒子的超聲（shēng）波傳播速度與在載體介質內的傳播速度有（yǒu）足夠大的差別。當然，在對未超過臨界的速度進行信號（hào）化時，與溶度有關的超聲波滲（shèn）透深度和流速分（fèn）布會產生（shēng）很明顯的（de）測量誤差。

3、超聲波時差測量原理

1）基本原理（lǐ）

在直型管道中由發（fā）送器以與流動方向成銳角形式發射穿過流動氣體（如氣體流量計）或液體的超（chāo）聲波，並（bìng）用一個接收器接收信號。因為在管道彎曲處流動截麵的流（liú）速分布不對稱，所以在這種情況下不能應用超聲波測量方法。

用發送器S和接（jiē）收器E的超聲波流流量原理如圖5.3所示。在（zài）靜態液（yè）體中，從發送器到接收器（qì）超聲波運動的速（sù）度為Co通常液體流動的速度為v，此速度以圖5.3的形式分布。在觀察點O處流動速度v在（zài）超聲波運動方向上的速度分量是voo在流動液體中（zhōng）與此相應的超聲波速度為

c1=c+va=c+vcosa

如（rú）果把發送器和接收器（qì）互換，那麽（me）速度分量的方（fāng）向與超聲波運動方向相反。超聲波的速度c2為

c2=c-va=c-vcosa

當測量距離（lí）ι已知時，原理上由（yóu）在（zài）測量（liàng）距離ι上的流體平均速度ū來（lái）確定測量時間t1。該時間是順流時超聲波運行（háng）距離ι所需的時間。但是超聲波速度（dù）很明顯與液（yè）體（tǐ）的溫度有關。為了補償溫度對測量（liàng）結果的影響，必須在順流和逆流2個（gè）方向上同時發（fā）射（shè）超聲波（bō），以便同時考慮加以計算。這樣，用（yòng）超聲波（bō）信號（hào）前邊緣檢測（cè）的（de）時間t1和t2為

由式（5.8）和式（5.9）導出（chū）流體的平（píng）均流速v為

在測量路（lù）徑長度ι傾角a以及管道（dào）幾（jǐ）何尺寸不變的前提條件下，能通過測量2個計時時間t1和t2計算測量管道的平均速度和靜態聲速。

兩脈衝（chōng）運行的時間差為

式中 D--管道的直徑。

時間（jiān）差與沿測量管道方向（xiàng）的平均流速精確地呈線性關係(超聲波聲（shēng）道（dào）)。但時間差的量值很小，對（duì）提高測量的分辨率有一定難度。

時（shí）差原理舉例:

管道直徑:100mm

入射角a：45°

被測介質：水

傳播速度c：1480m/s

流速v：lm/s

順流時間t1：95.4949x10-6s

逆流（liú）時間t2：95.5862x10-6s

時間差△t：91.29x10-9s

分辨率0.5%，能分辨的*小時（shí）間<500x10-12s

2）時間信號的檢測方法

在時間檢測過（guò）程中，控（kòng）製發送的壓電脈（mò）衝和處理接收信（xìn）號的測量變（biàn）送器必須（xū）保證有很高的時間分辨率。檢測方法也經曆了過零點檢測、相關測量分析以及抗幹（gàn）擾能力和（hé）測（cè）量精度有很大改善（shàn）的複雜數字信號處（chù）理等階段（duàn）。下麵介紹2種（zhǒng）檢測（cè）方法。

（1）零點檢測方（fāng）法

絕對（duì）計時時間t1和t2的測量可經定時脈衝的計數來完成。按照圖5.4，由發送（sòng）器發出一個方波信（xìn）號或矩（jǔ）形波信號;而接收到的信（xìn）號是*先逐步增幅振蕩而後逐步衰減振蕩的信號。信號接收時選擇一個已知的閾值。信號增大到達該閾值，“預觸發”過零檢（jiǎn）測裝置。當檢測器檢測（cè）到過（guò）零點時，得（dé）到計時時間間隔t測量c在增幅振蕩過程中不能直接檢測到t計時時間值，通常通過半波周期N整數倍的值對（duì）t測量修正（zhèng）產生（shēng）t計時時間值。其中N值是信號從一個過零（líng）點（diǎn）到另一個過（guò）零點的間隔（gé）時間。圖5.4中，t計時=t測量-3N。

（2）相關（guān）方法

相（xiàng）關流量（liàng）測量方法的基（jī）本條件是選（xuǎn）取被測介質的特征標記。超聲彼流*計（jì）采用超聲（shēng）波脈（mò）衝信號作為特征標記（jì）。流（liú）速（sù）的測*性能（néng）可經過下列方（fāng）法得到擴展和改善。

在采用超聲波脈衝信（xìn）號的特征標記進行體積流量測量（liàng）時，在流動方向上前、後安裝2套傳感器。對傳感器檢測（cè）的微粒標記信號進行相關統（tǒng）計實現計（jì）時時間側量（liàng）。通常2個傳感器分別安裝在測量管道的入口端和出口（kǒu）端。如果（guǒ）把*1個傳感（gǎn）器的信（xìn）號作為測（cè）量裝置的（de）輸入信號，而把*2個傳感器的信號作為測量裝置的輸出信號，那麽就能根據計時（shí）時間（jiān）得到傳遞過程環節的脈衝響應g（t）。

假設傳遞過程環節含有未知的時滯時間T,2個（gè）信號（hào）就有一個時滯時間T的平移。使用2個被測信號的正交相關計算求出脈衝響應函數和計（jì）時時間，再由計時時間和測量裝（zhuāng）置的幾何尺寸確定體積流量，如圖5.5所示。

相（xiàng）關（guān）測量方法（fǎ）的原理是，在理想（xiǎng）情況（kuàng）下測量傳（chuán）感器（qì）檢（jiǎn）測（cè）到2個形狀（zhuàng）相同的信號，它們之（zhī）間僅是時間相互超前和滯後T的（de）關係。測（cè）量方法以*1個傳感器（qì）信號人為延（yán）遲r為基礎。相關方法的主要任務是（shì）調節模型時間r，當（dāng）:r=T時使經測量裝置延時的信號u2（t）=u1（t-T）與人為延時信號u1（t-r）相等。由於信號帶有隨機噪聲，廣義的表達方（fāng）式是通過相關器計算使兩個信（xìn）號的（de）協方差為*小（xiǎo）.即

對理想的情況，靜態信（xìn）號的方差為

和（hé）協方差為

當Υ=T時2個信號協相關函數達到*大φu1u1（Υ=T）。協相關處理器以固（gù）定（dìng）的采樣頻率存儲2個信號u1（t）和u2（t）的離散序列幅值。在（zài）測量範圍允許的計時時間內（nèi）得到一階保持信號，並（bìng）把它作為正交相關係數rxy（Υ）有

然後，尋找模型的計時時（shí）間Υmax使協相關（guān）係數*大。在測（cè）量傳感器已知間距s和時滯時間T=tmax的條件下，計算流速v=s/T。

3）發送器和接收器的原理

超聲波發送器的種類（lèi）很多.大致可分成機械和電（diàn）聲2大類。在超聲波流量計通常使用電聲型發送器。

電聲（shēng）型超聲（shēng）波（bō）發送器把電磁能量轉換成機械波的能量（liàng）。這種能量轉換是通（tōng）過電聲換能器來完成的。電聲換能器的作用是將高頻電源的電磁振蕩能量轉換成機械（xiè）振動能量而發射超聲波。電聲換能（néng）器有壓電（diàn）式和磁滯伸縮式2種。這裏主要介紹（shào）壓電式換能器。

壓電式換能器是用壓電材料（liào）(如石英、磷酸甲欽酸鋇等)製作而成的。當壓電材料受（shòu）到周期性的壓縮時，就在兩相對麵出現周期性電壓。此現象稱為壓電（diàn）效應。相反，把周期性電壓加在壓電材料上，使壓電（diàn）材料產生伸縮的機械振動。這種逆壓電效應是壓電式換（huàn）能器產生超聲波的原理。壓電式換能（néng）器能產生高頻（pín）超聲波，從幾十千（qiān）赫到幾十兆赫，*高可達10Hz。它產生的聲強也很大。在發送器表麵處（chù）每平（píng）方厘米可達數（shù）十瓦，而且易於聚焦，以便產生更大的聲強。它非常適合於工業應用。

關於超聲波接收傳感器，*常用的就（jiù）是利用壓電效應的（de）傳感器。這些傳感器在接收超聲波後產生振動，並輸出交變的電信（xìn）號。該信號經放大和數據處理後（hòu）可直接（jiē）使用。