超声波流量计的原理及应用
时间：2015-03-26 阅读：272
一．引言首先家简单介绍一下流量计的概念凡是有物质流动的场合，人们为掌握其数量都需要流量测量。流量分为瞬时流量（Flow Rate）和累计流量（Total Flow）瞬时流量（Flow Rate）：单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量。流过的物质可以是气、液、固体。数学公式： v为流体的体积,工程上常用的单位m3/h.累计流量（Total Flow）：在某一段时间间隔内（可以是一天、一周、一月、一年）流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量称为累计流量，通过将瞬时流量对时间积分可求得累计流量。数学公式：流量计（Flowmeter）：用以测量瞬时流量或累计流量的器具统称为流量计流量计广泛应用于能源计量如水，气等含能工质。流量计的种类繁多，可大体分为几大类，约几百种以上。（1） 差压式流量计：1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。（2） 转子流量计（3） 容积式流量计：1.椭圆齿轮 2.腰轮 3.刮板 4.旋转活塞（4） 涡轮流量计（5） 电磁流量计 ：大管径，造价高。安装时需要停水断管（6） 涡街流量计（7） 超声波流量计（8） 质量流量计 （9） 其它流量计上述流量计优、缺点，用途各异。用户选表总想找到一种理想的流量计以解决它的流量计量问题，而流量计制造厂都力图制造出一种理想流量计以适应更广泛的需要。总结千百种流量计的所有优点可以提出理想流量计的条件如下： 1．检测件*物； 2．检测件可夹装在管道外部，可随意移动在任何地点测量而无须截断管道与流体； 3．仪表的流量计算方程简单明确，可外推到未知领域而无须实流校验； 4．频率脉冲输出信号，数字式仪表，便于远传抗干扰及与计算机联网； 5．仪表输出信号不受流体流动特性的影响； 6．仪表复现性高； 7．仪表范围度宽，线性好； 8．仪表可靠性高，价格适宜，维修技术不复杂； 9.无须个别实流校验，或只须“干校”，或在一、二种介质中校验可推广到各种介质； 10.检测件输出信号直接反映质量流量。 可以说至今并没有出现上述的理想流量计，所有流量计都多少具备一些上述条件，只不过有的多些，有的少些。所有流量计制造厂试制新产品都力图能更多地具备上述条件。我们今天介绍的超声波流量计，目前之所以能被相当广泛的用户普遍接受是有客观原因的。主要是它能在更多方面更好地满足理想流量计的一些条件。二．超声波流量计的历史（1） 1928年德国人研制成功*台超声波流量计，并取得了。至今超声波流量计以有75年历史（2）1955年首先应用于马克森（MAXSON）流量计测量航空燃烧油，这是一种基于声循环法的两组探头（换能器）组成的液体流量计（3）1958年A.L.H-ERDRICH等人发明折射式探头，由于他们的研究可进一步消除由于管壁的交混回响所产生的相位失真，也为管外夹装提供了理论依据。进入20世纪七十年代以后，由于集成电路和锁相环路技术的发展，使超声波流量计得以克服以前的度不高，响应慢，稳定性与可靠性差等致命弱点，使实用的超声波流量计得以发展。近20年来特别是近10年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展，基于新型探头材料与工艺的研究以及声道配置与流量动力学的研究，超声流量测量技术取得了长足进展，显示了强劲的技术优势，发展势头迅猛。2000年在巴西召开的流量测量学术会议（FLOMEK-O‘2000）上共宣读学术论文集103篇，其中直接涉及超声波流量计及超声波技术的论文20篇，约占论文总数的1/5。在历次流量学术会议上，采用超声波流量计作为传递标准的文献愈来愈多，可见超声波流量计其潜在的巨大的生命力。三．超声波流量计的分类（1） 按原理分：A． 传播速度差法：a. 时差法（目前zui常采用此法）b.频差法（声环法）c.相位差法d. 多普勒法（目前zui常采用此法）e.相关法 f.射束位移 g.涡街法（2）按探头（换能器）安装方式分：A．外夹式B．插入式（即湿式）又分为：a.带测量管段的 b.不带测量管段，直接在工艺管段上实现安装的。（3）按声道数目划分：A．单声道B．多声道（2—8声道）（４）按性能分；Ａ．标准型 B．固定式 C．便携式D．低温防水型E．其他四．超声波流量计的基本原理1．基本原理超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。相对于固定座标系(如管壁)，顺流的超声波的传播速度将大于逆流的传播速度。为实现流量（流速）测量，首先需要有一个发射超声波的换能器（俗称超声波探头），通常采用石英等材料制成的压电元件作为换能器。发射超声波时是利用负压电效应，即利用高频电脉冲的作用，使压电晶体高频振动，从而发出脉冲变化的高频压力波（即超声波）。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由装在管道对面的接收换能器接受。接受换能器则利用正压电效应，将高频压力波又转换高频的电脉冲信号。可以轮流交替地利用同一个换能器及发射高频、短时的脉冲压力波，又用来接收对面换能器发来的脉冲压力波。可以用一组换能器兼做超声波的收、发用。由于人耳听到声音的上限频率是20千赫，而此种流量计所收、发的压力波的频率是0．5—10兆赫（典型频率是1MHz）,属于超声波范畴，超声波流量计因此得名。2．管外夹式时差式液体超声波流量计的工作原理该类型流量计利用测量超声波在管道中传播时间原理而实现的。介质（液体）在管道中流速，与超声波沿介质顺流和逆流传播的时间差存在着线性关系。只要分别测量出超声波顺流、逆流的传播时间，就可以依据线性关系得到沿管道路径上各点流速的瞬时平均流速。这样，介质流量则可以通过流速、管道截面积以及雷诺数等得到。当超声波束在液体中传播时，流体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，由此可求出液体的流速。
