超聲波流量計是一種利用超聲波對管道內(nèi)液體流量進行計量的非接觸式測量儀表,其中起關(guān)鍵作用的是超聲波流量傳感器,當超聲波與液體流動方向同向或反向傳播時,超聲波在液體中的傳播速度會相應地加快或變慢,因此,超聲波從發(fā)射端達到接收端的時間會隨著液體流速的變化而發(fā)生變化。利用這種現(xiàn)象,超聲波流量計可以探測管道中的液體流速,從而實現(xiàn)對管道內(nèi)液體流量的計量。根據(jù)檢測方式的不同,超聲波流量計還有多普勒法、波束偏移法、時差法等不同類型的流量計量方法。與傳統(tǒng)的機械式流量計相比,超聲波流量計無需裝在流體中,不會改變流體的流動狀態(tài),不產(chǎn)生附加阻力,在安轉(zhuǎn)和檢修時也不影響管線的運行,使一種理想的節(jié)能型流量計。
超聲多普勒法流量測量原理
超聲波流量計根據(jù)測量原理的不同,種類較多,大致可以分為以下幾類:1.傳播速度法(時差法、相位差法和頻差法)2.多普勒法3.相關(guān)法4.波束偏移法等。但是目前最常采用的測量方法主要有兩類:時差法和多普勒效應法。
多普勒法
多普勒法是一種利用聲學多普勒效應進行流量測量的方法。它要求被測介質(zhì)當中含有一定量的懸浮顆粒或氣泡。多普勒效應是指:假定生源、觀察者(超聲換能器)與介質(zhì)之間是相對運動的,在這種情況下觀察到的超聲頻率與生源的發(fā)射頻率有所不同的聲學現(xiàn)象。根據(jù)這一效應,當向流體中的懸浮粒子發(fā)射頻率為f T的連續(xù)超聲波時,假設被懸浮粒子所反射的超聲波的頻率為fR , f T與f R將服從多普勒關(guān)系。假設粒子的移動速度為u,超聲束與粒子移動速度方向間夾角為θ,則ucosθ可以看作是生源的移動速度,如圖1.3所示,
即體積流量也與多普勒頻移△f有正比關(guān)系。
注:在上面的推導中,假定被測流體中懸浮顆粒的運動速度和流體的流速相同.
目前,隨著電子技術(shù)進步,多普勒原理已廣泛應用在人們?nèi)粘I钪校嗥绽諟y車速、多普勒血流等等,其科學的測量原理,越來越為人們所認識。
在液體的流量檢測方面,多普勒流量計適合于那些含有懸浮物的液體或漿體測量。如圖1.3 。
超聲時差法流量測量原理
超聲流量計是通過檢測流體流動時對超聲束(或超聲脈沖)的作用來測量體積流量的儀表。如果在現(xiàn)場配以溫度、壓力儀表,經(jīng)過密度補償,還可以求得質(zhì)量流量。當超聲波在流動的介質(zhì)中傳播的時候,相對于固定的坐標系統(tǒng)而言(如管道中的管壁),其聲波的某些聲學特性與靜止介質(zhì)中的聲特性是不同的,在其基礎上又疊加上了流體的流速信息,因而根據(jù)超聲波某些聲學特性隨流速的變化就可以求出介質(zhì)的流速。
時差法
時差法就是通過測量超聲波脈沖順流傳播和逆流傳播的時間差來進行流量測量的方法,其基本原理如圖1.1所示。在被測流體介質(zhì)中,安裝在管道上的發(fā)射器T1和T2,一個順流發(fā)射超聲波,另一個逆流發(fā)射超聲波,在與發(fā)射超聲波換能器相同距離處,分別裝有兩個接收換能器R1和R2,這兩組發(fā)射器與換能器組成了兩個通道。當被測介質(zhì)處于靜止狀態(tài)時,兩個通道中的超聲波速度是相同的兩個接收換能器接收到的聲信號沒有任何差別。但是當流體流動的時候,情況就發(fā)生了變化:在順流通道T1→ T2中,由于疊加了流體的流速,超聲波在聲道上的順流聲速CTR1=c+u;同樣,在逆流通道T2→R2中,逆流聲速CTR2=c-u。其中C為聲波在靜止流體中的聲速,u為被測流體的流速。這樣,兩個接收換能器所接收到的信號之間就產(chǎn)生了與流速有關(guān)的差別。假定聲道(即發(fā)射換能器與接收換能器之間的實際距離)長度為L,則超聲波的順、逆流傳播時間分別為:
在直管段長度較短的場合,由于上流側(cè)對流動的影響,上述的測量方式就不十分適用了。在這種情形下,有效的測量方式是增加測量線,也就是增加超聲波傳播的途徑,例如,像圖(4)所表示的,在垂直相交的二軸上測量流速,取平均值。隨著測量線數(shù)目的增加測量精度也能提高,一般認為有四條測量線也就足夠了。也提出圖(5)所示配置多測量線的方案,但用這種方式時,穿過外壁地很困難的(甚至是不可能的),安裝超聲波收發(fā)器的測量管的構(gòu)造也復雜。
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