超聲波流量計算公式及原理

一、超聲波概述

 

超聲波是一種機械波，是機械振動在媒質(zhì)中的傳播過程。20kHz以上頻率的機械波稱為超聲波，其波長較短，近似直線傳播，在固體和液體媒質(zhì)內(nèi)衰減比電磁波小，能量容易集中，可形成較大強度，產(chǎn)生劇烈振動，并能引起很多特殊作用。

 

用來發(fā)射和接收超聲波的裝置稱為超聲波換能器，超聲波換能器可分為發(fā)射換能器和接 收換能器兩大類。發(fā)射換能器是使其他形式的能量轉(zhuǎn)換為超聲波的能量，而接收換能器是使 超聲波的能量轉(zhuǎn)換為其他形式易于檢測的能量。

 

流量測量中常采用壓電換能器，制作壓電換能器的材料有壓電單晶體（如石英）和多晶 壓電陶瓷（如鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷等）。

 

壓電片的振動方式有薄片的厚度振動、縱片的長度振動及橫片的長度振動等。

 

二、超聲波流量計原理

 

超聲波在順流與逆流中傳播速度之差與介質(zhì)流速有關(guān)，測得介質(zhì)流速即可得出流量。超 聲波在順、逆流中傳播情況如圖5-16所示。測定傳播速度差的方法很多，主要有時間差、相位差和頻率差等方法。 

超聲波在管壁間的傳播軌跡如圖5 - 17所示。

三、超聲波流量計算公式

1-時間差法

設(shè)靜止流體中的聲速為c，流體流速為w，流體靜止時超聲軌跡與管道軸線之間的夾角為θ,管道直徑為d，則 

 

 

存在的問題：①聲速c受介質(zhì)溫度、密度等變化的影響，且聲速的溫度系數(shù)并非常數(shù)。當(dāng)聲速變化時，由此產(chǎn)生的流量測量的相對誤差將等于聲速相對誤差的兩倍；②時間差A(yù)r 的數(shù)量級很小。例如 D=300mm，v =1. 33m/s, c =1500m/s,  θ=20°時，?t=1×10^-6s。如果要保證1%的準確度，則要求測量時間差?t達到0.01μs的準確度，所以對電子線路的要 求很高，并且限制了測量流速的下限。

時間差法超聲波流量計原理如圖5 - 18所示。 

 

 

2. 相位差法.

如果換能器發(fā)射連續(xù)超聲波或者發(fā)射周期較長的脈沖波列，則在順流和逆流發(fā)射時接收到的信號之間就產(chǎn)生了相位差?φ=ω?t，而ω=2πf，則流速公式為

 

式中
ω — 角頻率；

?φ — 順流和逆流發(fā)射時接收到的超聲波信號之間的相位差。

可見相位差和頻率成正比，頻率越高，測量的靈敏度也越高。采用相位差法可以消除聲速的影響。

3.頻率差法

在管壁的斜對面固定兩個超聲波換能器，并兼作超聲波發(fā)送和接收單元。由一側(cè)的換能 器產(chǎn)生的超聲波脈沖依次穿過管壁、流體、管壁為另一側(cè)的換能器所接收，并轉(zhuǎn)換為電脈沖，經(jīng)放大后再用此電脈沖來激發(fā)對面的換能器，形成單環(huán)自激振蕩，振蕩周期由超聲波在流體中的順流傳播速度決定。周期的倒數(shù)即單環(huán)頻率。

一定時間間隔以后，切換電路使發(fā)射換能器切換成接收換能器，接收換能器切換成發(fā)射換能器，測出取決于超聲波在逆流中傳播速度的單環(huán)頻率。如此循環(huán)交替地測出f1、f2。 

 

式中
f1、f2 — 超聲波在順流和逆流中傳播的頻率； 
v — 流體平均流速。

 

當(dāng)D、θ、τ、c為常數(shù)時，頻率差?f與流體平均流速成線性關(guān)系，因此，只要測出頻率差即可得到流量。由于τ很小，在大口徑管道中括號內(nèi)的第二項可忽略，去掉滯后時間τ后可得 

 

式中
K — 流量修正系數(shù)，可查表； 
f₀——超聲波基準頻率。

超聲波流量計屬于非接觸式測量儀表，對流體流動無干擾，無阻力，不產(chǎn)生壓力損失； 受介質(zhì)物理性質(zhì)的限制比較少，適應(yīng)性較強。它可用于高溫、高壓、防爆、強腐蝕性、黏性、非導(dǎo)電、渾濁度大的液體的流量測量，而且準確度高；量程比較寬，可達5: 1;輸出 與流量之間為線性；安裝方便。只要將管外壁打磨光，擦上硅油，使其接觸良好即可。其缺點是當(dāng)液體中含有氣泡或有噪聲時，會影響聲波傳播；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。

超聲波流量計實際測定的是流體速度，它將受速度分布不均的影響，故要求變送器前后 分別有10D和5D的直管段長度。