超聲流量計(jì)原理

1、    超聲波流量計(jì)原理 2007年04月03日 星期二 下午 09:04 摘要：本文闡述了超聲波流量計(jì)常用的時(shí)差法、多普勒法的測(cè)流原理，以及超聲波流量計(jì)的分類。通過實(shí)際測(cè)流應(yīng)用并與流速儀所測(cè)的流量結(jié)果做了對(duì)比分析，得出 超聲波流量計(jì)無論在測(cè)流準(zhǔn)確度還是在測(cè)流精度上都比其它的測(cè)流設(shè)備高，而且具有其它測(cè)流設(shè)備所不具備的實(shí)時(shí)在線和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳的優(yōu)越性能。 關(guān)鍵詞：超聲波流量計(jì)；時(shí)差法；多普勒；測(cè)流 1引言 近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測(cè)量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快。基于不同原理，適用于不同場(chǎng)合的各種形式的超聲波流量計(jì)已相繼出現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到

2、工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門，正日趨成為測(cè)流工作的首選工具。 2超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理 超 聲波流量計(jì)常用的測(cè)量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時(shí)差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測(cè)量超聲波脈沖順?biāo)骱湍嫠鲿r(shí)速 度之差來反映流體的流速，從而測(cè)出流量；多普勒法的基本原理則是應(yīng)用聲波中的多普勒效應(yīng)測(cè)得順?biāo)骱湍嫠鞯念l差來反映流體的流速?gòu)亩贸隽髁俊?2.1時(shí)差法測(cè)量原理 時(shí)差法測(cè)量流體流量的原理如圖1所示。它利用聲波在流體中傳播時(shí)因流體流動(dòng)方向不同而傳播速度不同的特點(diǎn),測(cè)量它的順流傳播時(shí)間t1和逆流傳播時(shí)間t2的差值,從而計(jì)算流體流動(dòng)的速度和流量。 圖1超聲波流量計(jì)測(cè)流原理

3、圖設(shè)靜止流體中聲速為c，流體流動(dòng)速度為v，把一組換能器P1、P2與管渠軸線安裝成角，換能器的距離為L(zhǎng)。從P1到P2順流發(fā)射時(shí)，聲波傳播時(shí)間t1為： 從P2到P1逆流發(fā)射時(shí)，聲波的傳播時(shí)間t2為： 一般c>>v，則時(shí)差為： 單聲道測(cè)試系統(tǒng)只適用于小型渠道水位和流速變化不大的場(chǎng)合。大型渠道水面寬、水深大，其流速縱橫變化也較大，須采用多聲道超聲波測(cè)流才能獲得準(zhǔn)確的流量值，見圖2。應(yīng)用公式(5)、(6)可測(cè)得流量Q。 以上各式中：d為垂直于水流方向上兩換能器之間水平投影的距離，為聲道數(shù)，S為兩聲道之間的過水?dāng)嗝婷娣e。 圖2多聲道超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖2.2多普勒法測(cè)量原理 多 普勒法測(cè)量原

4、理，是依據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，檢測(cè)其多普勒頻率差。超聲波發(fā)生器為一固定聲源，隨流體以同速度運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該固體顆粒 可把入射的超聲波反射回接收器。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以 通過測(cè)量頻率差就可以求得流速，進(jìn)而可以得到流體流量，如圖3。 圖3多普勒超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖當(dāng)隨流體以速度v運(yùn)動(dòng)的顆粒流向聲波發(fā)生器時(shí)，顆粒接收到的聲波頻率f1為： 因此，聲波接收器和發(fā)生器間的多普勒頻移f為： 以上各式中：為聲波方向與流體流速v之間的夾角，f0為聲源的初始聲波頻率，c為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若c&

5、gt;>vcos則 式(11)、 (12)是按單個(gè)顆?？紤]時(shí)，測(cè)得的流體流速和流量。但對(duì)于實(shí)際含有大量粒群的水流，則應(yīng)對(duì)所有頻移信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。超聲波多普勒流量計(jì)的換能器通常采 用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見圖4。換能器接收到的反射信號(hào)只能是發(fā)生器和接收器的兩個(gè)指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)顆粒的反射波，這個(gè)重疊區(qū)域稱為多普勒信號(hào)的信息窗。換 能器所收到的信號(hào)就是由信息窗中所有流動(dòng)懸浮顆粒的反射波的疊加，即信息窗內(nèi)多普勒頻移為反射波疊加的平均值。 平均多普勒頻移-f可以表示為： 式中-f信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值； Ni產(chǎn)生多普勒頻移fi的粒子數(shù)； fi任一個(gè)懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移。 由上可

6、知，該流量計(jì)測(cè)得的多普勒頻移信號(hào)僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，因此要求信息窗應(yīng)位于管渠內(nèi)接近平均流速的部位，才能使其測(cè)量值反映管渠內(nèi)流體的平均流速。 圖4多普勒信息窗示意圖3超聲波流量計(jì)的分類 3.1根據(jù)超聲波聲道結(jié)構(gòu)類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計(jì) 單 聲道超聲波流量計(jì)是在被測(cè)管道或渠道上安裝一對(duì)換能器構(gòu)成一個(gè)超聲波通道，應(yīng)用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便， 但這種流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，測(cè)量精度不易控制，一般用于中小口徑管道和對(duì)測(cè)量精度要求不高的渠道。多聲道超聲波是在被測(cè)管道或渠道上安裝多對(duì)超 聲波換能器構(gòu)成多個(gè)超聲波通道，綜合各聲道測(cè)量結(jié)

7、果求出流量。與單聲道超聲波流量計(jì)相比，多聲道流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，可用于大口 徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管渠。 3.2根據(jù)超聲波流量計(jì)適用的流道不同可分為管道流量計(jì)、管渠流量計(jì)和河流流量計(jì) 管 道流量計(jì)一般是指用于有壓管道的流量計(jì)，其中也包括有壓的各種形狀斷面的涵洞，這種流量計(jì)一般是通過一個(gè)或多個(gè)聲道測(cè)量流體中的流速，然后求得流量。用于 管渠的超聲波流量計(jì)除了要具有測(cè)流速的換能器以外，還需要有測(cè)水位的換能器，根據(jù)測(cè)得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量計(jì)一般含有多個(gè)測(cè)速換能器(由 聲道數(shù)決定)和一個(gè)測(cè)水位換能器。多數(shù)河流超聲波流量計(jì)僅測(cè)流速和水位，而河流的過水流量由用戶根據(jù)河

8、床斷面進(jìn)行計(jì)算。 4應(yīng)用研究 結(jié) 合國(guó)家大型灌區(qū)信息化建設(shè)的研究?jī)?nèi)容，作者在昌樂縣高崖水庫(kù)灌區(qū)的北干渠上布設(shè)了4處監(jiān)測(cè)站：其中徐家廟監(jiān)測(cè)站渠底寬7.0m，水深1.02.0m，采 用5聲道明渠超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)，見圖5。山秦監(jiān)測(cè)站將一段明渠改造為有壓管道輸水，管徑是1.4m，采用單聲道管道超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)，見圖6。在日照水庫(kù) 灌區(qū)總干渠上布設(shè)了6個(gè)測(cè)站，其中石咀監(jiān)測(cè)站渠寬4m，水深1.52m，采用了多普勒超聲波流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見圖7。 圖7石咀測(cè)站多普勒超聲波流量計(jì)示意圖各測(cè)站采用高精度流速儀對(duì)所測(cè)的瞬時(shí)流量進(jìn)行對(duì)比分析。通過比較和個(gè)別參數(shù)修訂，各測(cè)站測(cè)出的瞬時(shí)流量穩(wěn)定可靠，與流速儀測(cè)出的數(shù)據(jù)有很高的一致性。 5結(jié)束語 超聲波測(cè)流技術(shù)以其測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)越來越得到重視。但因其價(jià)格高、專業(yè)性強(qiáng)、維護(hù)管理要求高使其應(yīng)用推廣較慢。隨著國(guó)家對(duì)水利投入的加大和節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)，該技術(shù)設(shè)備將很快成為主要測(cè)流手段而得到廣泛的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) 1馬樹升.灌區(qū)水情無線數(shù)傳實(shí)時(shí)監(jiān)控的內(nèi)容與方法J.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,(1):63-65 2 楊豐,楊俊清.多普勒法測(cè)流技術(shù)簡(jiǎn)介J.水文,2004,(2):58-