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超聲波流量計的測量原理及結(jié)構(gòu)

點擊次數(shù):3319 發(fā)布時間:2021-03-19 07:38:58
超聲波流量計是由超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量,并將此能量發(fā)射到被測流體中,被接收換能器接收后將之轉(zhuǎn)換為代表流量并易于檢測的電信號的儀器。它可以實現(xiàn)流量的檢測和顯示。超聲波流量計內(nèi)部沒有活動部件和障礙物,因此帶來的管道壓力損失基本可以不用考慮。由于測量的對象信號屬于電信號,因此在現(xiàn)有的電子技術(shù)、微機計算能力以及信號檢測技術(shù)飛速發(fā)展的條件下,可以獲得很高的測量進度和測量范圍。超聲波流量計的計算精度的主要限制是其獲取的信號屬于間接信號,需要經(jīng)過各種換算之后才能推導(dǎo)出*終的流動速度和流量,其采用的流動模型準確程度決定了整個測量精度的高低。

⑴基本原理

   超聲波對液體、固體的穿透能力很強,尤其是在陽光下不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。   另外,當超聲波碰到流體中的雜質(zhì)或分界面時會產(chǎn)生顯著的反射回波,碰到活動的物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。根據(jù)這兩種現(xiàn)象,可以制造兩類不同的超聲波流量計。
①超聲波時間變化法
   利用超聲波的傳播速度隨流體的流速變化而發(fā)生變化的原理,通過測超聲波脈沖傳播線路的平均流速就可測量流速。
②超聲波多普勒法
   利用流體中的微小雜質(zhì)(反射物體)的移動速度所產(chǎn)生的超聲波多普勒效應(yīng),通過測超聲波束交差區(qū)域的流速(相當于點的流速)就可測量流速。
   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:傳播速度法(時差法、相位差法和頻差法)、多普勒法、相關(guān)法、波束偏移法等。但是目前*常采用的測量方法主要有兩類:時差法和多普勒效應(yīng)法。同時,根據(jù)超聲波流量計使用場合不同,可以將之分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計。下面主要介紹時差法和多普勒效應(yīng)法兩種方法。

⑵時差法

   超聲波在流體中傳播時,傳播速度因流體運動狀態(tài)不同(靜止或流動)而不同。時差法就是測量超聲波脈沖順流和逆流時傳播的時間差。若靜止流體中的音速為c,流體流動的速度為v,則超聲波的傳播方向與流體的流向一致時,其傳播速度為c+v,反之為c-v。
   圖1所示為脈沖傳播速度變化法測量的原理,將相距為L的兩個轉(zhuǎn)換器T1、T2設(shè)置于流體中,觀測轉(zhuǎn)換器之間超聲波的傳播時間。
超聲波流量計時差法測量原理圖
*先,從T1發(fā)射與流體方向一致的超聲波,其超聲在流體中傳播,設(shè)到達T2的時間為t1,再從T2逆流發(fā)射超聲波脈沖,設(shè)到達T1的時間為t2,則傳播時間為
超聲波流量計時差法測量原理計算公式一
流速v的單位一般為m/s,當流體為水時,聲速c為1500m/s,故c>>v,則
超聲波流量計時差法測量原理計算公式二
由于L、c已知,因而流速與傳播的時間△t成正比,利用這種方法測量流速的方法稱為時間法。

⑶多普勒法測量原理

多普勒效應(yīng)指當聲源和觀察者之間有相對運動時,觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率的現(xiàn)象。對于靜止的接收器,接收從運動著的物體發(fā)射出來的波,所接收到的波的頻率取決于波源的速度;向運動的物體發(fā)射波時,發(fā)射回來的波的頻率也取決于運動物體的速度,頻率的變化與兩者之間的相對速度成正比。超聲波多普勒流量計就是基于多普勒效應(yīng)測量流量的。如圖4所示為多普勒法超聲波流量計的測量原理圖。
多普勒法測量原理圖

⑷超聲波流量計結(jié)構(gòu)

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統(tǒng)組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量,并將其發(fā)射到被測流體中;接收器接收到超聲波信號后,經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號,供給顯示和計算儀表進行顯示和計算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。
為實現(xiàn)流量(流速)測量,*先需要有一個發(fā)射超聲波的換能器(俗稱超聲波探頭),超聲波換能器通常由鋯鈦酸鉛陶瓷燈壓電材料制成,通過電致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)來發(fā)射和接收超聲波。
換能器在管道上的配置方式分為:Z式(透過式)、V式(反射式)和X式(交叉式),如圖5
超聲波流量計換能器在管道上安裝方式圖
發(fā)射超聲波時是利用負壓電效應(yīng),即利用高頻電脈沖的作用,使壓電晶體高頻振動,從而發(fā)出脈沖變化的高頻壓力波(即超聲波)。超聲波以某一角度射入流體中傳播,然后由裝在管道對面的接收換能器接收。接收換能器則利用正壓電效應(yīng),將高頻壓力波又轉(zhuǎn)換高頻的電脈沖信號。

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