超声波流量计的测量原理

超声波流量计的测量原理 超声波流量计

超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表，近20多年发展迅速，已成为流量测量仪表中一种不可缺少的仪表。尤其在大管径管道流量测量，含有固体颗粒的两相流的流量测量，对腐蚀性介质和易燃易爆介质的流量侧量，河流和水渠等敞开渠道的流量及非充满水管的流量测量等方面，与其他测量方法相比，具有明显的优点。

超声波流量计的测量原理

超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量的。电磁流量计超声波在流体中传播时，将载上流体流速的信息。因此，通过接收到的超声波，就可以检测出被测流体的流速，再换算成流量，从而实现测量流量的目的。

利用超声波测量流且的方法很多。根据对信号检测的方式，大致可分为传播速度法、多普勒法、相关法、波束偏移法等。在工业生产测量中应用传播速度法最为普遍。

1.传播速度法

根据在流动流体中超声波顺流与逆流传播速度的视差与被测流体流速有关的原理，检测出流体流速的方法，称为传播速度法。很据具体测最参数的不同，又可分为时差法、相差法和频差法。 传播速度法的基本原理如图2.59所示。远传式水表从两个作为发射器的超声换能器T, , T,发出两束超声波脉冲。各自达到下、上游两个作为接收器的超声换能器R，和RZ。设流体静止时超声波声速为C，发射器与接收器的间距为L。则当流体速度为时，顺流的传播时间为式中，L, C均为常量，所以只要能测得时差At，就可得到流体流速。，进而求得流最p。这就是时差法。

时差法存在两方面间题:一是计算公式中包括有声速C，可拆卸螺翼式水表它受流体成分、沮度影响较大，从而给测量带来误差;另一是顺、逆传播时差At的数量级很小(约为10-’一10"9s),测量Lt，过去需用复杂的电子线路才能实现。

相差法是通过测量上述两超声波信号的相位差△lp来代替测量时间差6r的方法。如图2.61，设顺流方向声波信号的相位为9).二“:;逆流方向声波信号的相位为T2 =则结合式(2.56)可得逆、顺流信号的相位差为式中。—声波信号的角频率。

此方法可通过提高。来取得较大的相位差乙甲，滴水计数水表从而可提高测量精度。但此方法仍然没有解决计算公式中包含声速C的影响。

频差法是通过测量顺流和逆流时超声波脉冲的重复频率差来测量流量的方法。该方法是将发射器发射的超声波脉冲信号，经接受器接受并放大后，再次切换到发射器重新发射，形成“回鸣”，并如此重复进行。由于超声波脉冲信号是在发射器一流体一接收器一放大电路一发射器系统内循环的，故此法又称为声还法。脉冲在生还系统中一个来回所需时间的倒数称为声还频率(即重复频率)，它的周

期几乎是由流体中传播声脉冲的时间决定的。假设顺流时声还频率为石= 1/t,，逆流时声还频率为几二1/ti，则结合式

测得频差后，由上式即可求得流速。在频差法中，标准孔板流速只与频率有关而与声速C无关，这是频差法的显著特点。

在上述三种方法中，由于时差法的时差数量级很小.故在早期该法只应用于测量河川、海峡流里等时差较大的场合。但随着新测量技术，如回鸣法和锁相法等技术的出现，能将时差扩大后测量，公式中出现的声速C也能通过计算电路或计算机技术加以补偿，并且由于该法测得的时差中，管壁延迟时间是抵消掉的，所以在涉及小管径管道的流童测量中，时差法由于其较高的准确度而得到广泛应用。相差法由于相位测最技术较为复杂，并存在着声速C的影响问题，实际应用较少。频差法从原理上可以消除声速C的影响，其缺点是响应慢，测量的实时性较差。频差法一般采用单声道结构，顺、逆回鸣频率轮流测量，所以测量周期长。频差法的另一个缺点是，如果回鸣环被液体中的气泡和颗粒阻断，这个取样周期就得到不同测量结果，所以此法只能用于净水测最。现在，频差法和时差法都采用了信息处理技术，使超声波流量计的可靠性、稳定性有了很大提高，气泡及颗粒杂质的影响减小。从而使其不仅能测最污水，还能扩大到水以外的工作介质，并向高温介质发展。