| 超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計。起聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應用的一種 非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯(lián)動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。 ，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越*。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從 2cm 到 5m ，從幾米寬的明渠、暗渠到 500m 寬的河流都可適用。 另外，表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。
超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量 200 ℃以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為 1500m ／ s 左右，被測流體流速 ( 流量 ) 變化帶給聲速的變化量*大也是 10 － 3 數(shù)量級．若要求測量流速的準確度為 1 ％，則對聲速的測量準確度需為 10 -5 ～ 10 -6 數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn)，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實際應用的原因。 超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。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，接收器接收到的超聲波信號，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積算儀表進行顯示和積算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。 超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔埽员銠z測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應，而接收換能器則是利用壓電效應。 超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的 10 倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構(gòu)成換能器整體 ( 又稱探頭 ) 。聲楔的材料不僅要求強度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近 1 。常用的聲楔材料是有機玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。 超聲波流量計的電子線路包括發(fā)射、接收、信號處理和顯示電路。測得的瞬時流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。 根據(jù)對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法 ( 包括：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法 ) 波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類型，如圖所示。其中以噪聲法原理及結(jié)構(gòu)*簡單，便于測量和攜帶，價格便宜但準確度較低，適于在流量測量準確度要求不高的場合使用。由于直接時差法、時差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳報時速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差撥又分為： Z 法 ( 透過法 ) 、 V 法 ( 反射法 ) 、 X 法 ( 交叉法 ) 等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來反映流體流速的，低流速時，靈敏度很低適用性不大．多普勒法是利用聲學多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普 勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原理上，此法的測量準確度與流體中的聲速無關(guān)，因而與流體溫度，濃度等無關(guān)，因而測量準確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器價格貴，線路比較復雜。在微處理機普及應用后，這個缺點可以克服。噪聲法 ( 聽音法 ) 是利用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設備價格便宜，但準確度低。 以上幾種方法各有特點，應根據(jù)被測流體性質(zhì)．流速分布情況、管路安裝地點以及對測量準確度的要求等因素進行選擇。一般說來由于工業(yè)生產(chǎn)中工質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時差法。只有在管徑很大時才采用直接時差法。對換能器安裝方法的選擇原則一般是：當流體沿管軸平行流動時，選用 Z 法；當流動方向與管鈾不平行或管路安裝地點使換能器安裝間隔受到限制時，采用 V 法或 X 法。當流場分布不均勻而表前直管段又較短時，也可采用多聲道 ( 例如雙聲道或四聲道 ) 來克服流速擾動帶來的流量測量誤差。多普勒法適于測量兩相流，可避免常規(guī)儀表由懸浮粒或氣泡造成的堵塞、磨損、附著而不能運行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開展，煤油混合 (COM) 、煤水泥合 (CWM) 燃料的輸送和應用以及燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量計應用開辟廣闊前景。 超聲波多普勒流量計測量原理
1．基本工作原理 超聲波多普勒流量計的測量原別是以物理學中的多普勒效應為基礎(chǔ)的。根據(jù)聲學多普勒效應，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。這個因相對運動而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比． 在超聲波多普勒流量測量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，當然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接．發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產(chǎn)少的聲波多普勒頻移．由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速．進而可以得到流體的流量． 因此，超聲波多普勒流量測量的一個必要的條件是：被測流體介質(zhì)應是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質(zhì)．這個工作條件實際上也是它的一大優(yōu)點，即這種流量測量方法適宜于對兩相流的測量，這是其它流量計難以解決的問題．因此，作為一種極有前途的兩相流測量方法和流量計，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應用． 2．流量方程 假設，超聲波波束與流體運動速度的夾角為 ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運動速度與流體流速相同，均為u．現(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導出聲波多普勒頻差與流速的關(guān)系式． 如圖3—39所示，當超聲波束在管軸線上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營軸線運動．對超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u cos a的速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應低于發(fā)射的超聲波頻率f1，降低的數(shù)值為 f2－f1＝－ f1 （3－73） 即粒子收到的超聲波頻率為 f2＝f1－ f1 （3－74） 式中 f1――發(fā)射超聲波的頻率； a――超聲波束與管軸線夾角； c――流體中聲速。 固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以u cos a 的速度離開接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低，類似于f2的計算，f3可表示為 f3＝f2－ f2 （3－75） 將f2的表達式代入上式，可得： f3＝f1（1－ ) 2 ＝f1（1－2 ＋ ） （3－76） 由于聲速c遠大于流體速度u，故上式中平方項可以略去，由此可得： f3＝f1（1－2 ） （3－77） 接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之差，即多普勒頻移 f1，可由下式計算： f＝f1－f3＝f1－f1（1－2 ） ＝f1 （3－78） 由上式可得流體速度為 u＝ f （3－79） 體積流量qv可以寫成： qv＝uA＝ f （3－80） 式中，A為被測管道流通截面積． 出以上流量方程可知，當流量計、管道條件及被測介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測量頻移 f就可以得到流體流量qv。 5．關(guān)于流量方程的幾點討論 (1)流體介質(zhì)溫度對測量的影響 由流量方程可見，流雖測量結(jié)果受流體中的聲速c的影響．一般來說，流體中聲速與介質(zhì)的溫度、組分等有關(guān)，很難保持為常數(shù)．為了避免測量結(jié)果受介質(zhì)溫度、組分變化的影響，超聲波多普勒流量計一般采用管外聲楔結(jié)構(gòu)，使超聲波束先通過聲楔及管壁再進入流體。設聲楔材料中的聲速為c1；流體中聲速為c；聲波由聲楔進入流體的入射角為 ；在流體中的折射角為 ；超聲波束與流體流速夾角為a；見圖3－40所示，根據(jù)折射定理，有： ＝ ＝ 代入流量關(guān)系式，可得： qv＝ f （3－81） 由此式可見，采用聲楔結(jié)構(gòu)以后，流量與頻移關(guān)系式中僅含有聲楔材料中的聲速c1而與流體介質(zhì)中的聲速c無關(guān)．而聲速c1溫度變化要比流體中聲速c隨溫度變化小一個數(shù)量極，且與流體組分無關(guān)．所以，采用適當材料制造聲楔，可以大幅度提高流量測量的準確度． (2)信息窗與平均多普勒頻移 為有效地接收多普勒頻移信號，超聲波多普勒流量計的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見圖3—41所示．由圖中可見，換能器接收到的反射信號只能是發(fā)射晶片和接收晶片的兩個指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)的粒子的反射波，這個重疊區(qū)域稱為多普勒信號的信息窗 圖3－40 聲楔與聲波的折射 流量計接收換能器所收到的信號就是由信息窗中所有流動懸浮粒子的反射波疊加，即其信息窗內(nèi)多普勒頻移為疊加的平均值．平均的多普勒頻移 f可以表示為 f＝ （I＝1，2，3…） （3－82） 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－一任一個懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移． 從上述討論可知，該流量計測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，所以要求信息窗應位于管內(nèi)接**均流速的區(qū)域上，才能使其測量值能反映管內(nèi)流體的 平均流速．但是管內(nèi)平均流速區(qū)域的位置是一與雷諾救有關(guān)的函數(shù)，當管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re發(fā)生變化時，其平均流速區(qū)域位置也將改變．而一旦流量計安裝完畢，其多普勒信息窗位置就固定了，為使測得的多普勒頻移信號 f能在不同雷諾數(shù)Re條件下均能正確地反映流量值，在流量計算公式中引入流速修正系數(shù)K．流速修正系數(shù)K是雷諾數(shù)Re和信息窗位置的函數(shù)，用它來對因上述原因引起的測量誤差進行修正．因此，超聲波多普勒流量計的實際流量計算式可以寫成： 圖3－41 多普勒信息窗 qv＝ （3－83） 式中，符號意義同前。 | 