【導(dǎo)讀】由于此種檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，特別是在我國(guó)頒布的第一個(gè)關(guān)于乘用車燃料。儀器--基于超聲波技術(shù)的汽車油耗檢測(cè)儀器。燃油流量并通過(guò)計(jì)算電路得到燃油消耗情況的一種新型的燃油消耗檢測(cè)儀器。能穩(wěn)定可靠、測(cè)量范圍寬等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于液體和氣體的計(jì)量。

　　

【正文】 于流體流動(dòng)方向的橫向運(yùn)動(dòng)。層流流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)流體分層流動(dòng)，各個(gè)流層之間互不混雜，平行于管道軸線方向流動(dòng)，流層間沒(méi)有流體質(zhì)點(diǎn)的相互交換。流體通過(guò)一段管道的壓力降與流量成正比。 紊流狀態(tài)是指流體質(zhì)點(diǎn)既有軸向的運(yùn)動(dòng)，也有橫向的運(yùn)動(dòng)。紊流流動(dòng)時(shí)，管內(nèi)流體不再分層流動(dòng)，流體中質(zhì)點(diǎn)除了沿管道軸線向外流動(dòng)外， 還有劇烈的徑向運(yùn)動(dòng)，流體通過(guò)一段管道的壓力降與流量的平方成正比 ]9[ 。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 區(qū)分管內(nèi)流動(dòng)是層流流動(dòng)還是紊流流動(dòng)的判斷依據(jù)是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，稱為雷諾數(shù)，用 R。表示 . ]1[ 在管道橫截面上流體速度軸向分量的分布模式稱為速度分布。這是由于實(shí)際流體都具有粘性而造成的。一般規(guī)律是，越靠近管壁，由于流體與管壁的粘滯作用，流速越小，管壁上的流速 為零 。越靠近管中心，由于流體與管壁的這種粘滯作用越小，流速就越大，管道中心的流速值達(dá)到最大。 管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)不同，所呈現(xiàn)的流速分布也不同。人們?cè)陂L(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中對(duì)管內(nèi)的流體流速分布做了不少的研究，提出了很多流速分布模型。下面只介紹一種比較簡(jiǎn)單的流速分布模型。即層流流動(dòng)時(shí)： ])(1[ 2m a x Rrvv xx ?? (） 紊流流動(dòng)時(shí) : nxx rrvv1m ax )1( ?? （ ） 式中： xr 管道中心的徑向距離， m ； xv 距管道中 心 Yx 處的流速， m/s； maxv 管道中心的最大流速， m/s； R 管道半徑， m； n 隨雷諾數(shù)變化而變化的指數(shù)，無(wú)量綱數(shù)。 通過(guò)檢測(cè)流體速度來(lái)求得流量的速度式流量計(jì)，一般都是檢測(cè)管道內(nèi)流體的平均流速來(lái)求得 流量的。在流量測(cè)量中，平均流速是一個(gè)很重要的參數(shù)，如計(jì)算雷諾數(shù)和流量等數(shù)據(jù)時(shí)，只要用到流速的地方，幾乎都是用平均流速來(lái)計(jì)算的。 所謂平均流速，就是指管道截面上的平均流速。當(dāng)管內(nèi)流體以某一流速 dV 均勻分布時(shí)，通過(guò)管道某截面的流量正好等于管內(nèi)流體以某一速度分布 xV 時(shí)通過(guò)該管道截面的流量，則 dV 就是該截面上速度分布為 xV 時(shí)的平均流速。 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 AdvAqv Axvd ??? （ ） 對(duì)于圓管，將 xV 代入上式，得到層流狀態(tài)下的平均流速為 : m a x22m a x20 21])(1[22 vR rdRrvR rdv rR rd ???? ?????? （ ） 紊流狀態(tài)下平均流速為： m a x22m a x20 )1)(12(2)1(22 1 vnnnR RrvRrdvv nR rxd ?????? ?????? （ ） 對(duì)于超聲流量計(jì)，由于聲波并非經(jīng)過(guò)整個(gè)管道截面，而往往是經(jīng)過(guò)管道的中心軸方向，所以它測(cè)量的流速是管道中心軸方向的平均流速，一般記為 v. 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： Rdvv R rx22 0?? （ ） 對(duì)于圓管，將 xV 代入式 ()，得層流狀態(tài)圓管內(nèi)中心軸向上的平均流速為： m a x2m a x0 32])(1[22 vR dRrvRdvv rR rx ???? ?? （ ） 截面平均流速為： vvd 43? （ ） 紊流狀態(tài)下，圓管內(nèi)中心軸向上的平均流速為： m a xm a x0)1()1(22 1 vnnRdRrvRdvv rR rx n????? ?? （ ） 則截面平均流速為： vnnvd 122?? （ ） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 流速補(bǔ)償系數(shù)對(duì)流速公式的修正 測(cè)量流體通過(guò)某截面的流量時(shí)，需要測(cè)量垂直截面的面平均流速，而從穿過(guò)流體的超聲波信號(hào)中檢測(cè)出的流體流速是沿超聲波傳播路徑上的線平均流速，它們的關(guān)系應(yīng)從流體力學(xué)中加以修正。線平均流速與面平均流速的差異，取決于流速的分布情況。當(dāng)管道線平均流速值為 V時(shí)，它與截面平均流速 dV ，之比稱為流速補(bǔ)償系數(shù) K 。 由流體力學(xué)可知，流速補(bǔ)償系數(shù) K取決于管道的雷諾數(shù) eR ，而 eR 又取決于流體的流速、管徑和流體的粘度等因素 ]17[ 。其值可查找相關(guān)圖表得到，也可通過(guò)計(jì)算得到，當(dāng)流體在圓形管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)， eR 可以寫(xiě)成 eevDR ?? () 式中 : v 管內(nèi)流體的線平均流速， sm D 管道內(nèi)徑， m e? 管內(nèi)流體的流動(dòng)粘度， sm2 eR 的大小決定了流體的流動(dòng) 狀態(tài)， K 與 eR 的關(guān)系根據(jù)流體的流動(dòng)狀態(tài)不同而不同，可用如下公式計(jì)算 ]11[ ： 當(dāng)流體呈層流狀態(tài)時(shí)： 34?K （ ） 當(dāng)流體呈紊流狀態(tài)時(shí)： 2 3 ???? eRK （ ） 當(dāng)流體流動(dòng)狀態(tài)介于層流狀態(tài)與紊流狀態(tài)之間時(shí)： eLgRK ?? （ ） 以上 K 的計(jì)算公式都是基于這樣 一種假設(shè)前提：即換能器的安裝起點(diǎn)前后有足夠的直管段。事實(shí)上，由于流速分布規(guī)律的復(fù)雜性，特別是對(duì)紊流狀態(tài)下的流速分布規(guī)律，還沒(méi)有十分準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，因此如何得到比較精確的 K 值是制約超聲流量計(jì)進(jìn)一步黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 提高測(cè)量精度的關(guān)鍵問(wèn)題之一。但是到目前為止，由于管道流體流速分布規(guī)律的復(fù)雜性，人們對(duì)流體流速分布規(guī)律和流速分布的研究?jī)H限于理想管道流，即光管層流條件下的流體流速分布規(guī)律和光管紊流條件下的流體流速的分布規(guī)律。 超聲波流量測(cè)量的原理 超聲波流量計(jì)按其測(cè)量原理其常用的測(cè)量方法有：傳播速度差法、多普勒法、相關(guān)法、波束偏移法 、噪聲法、旋渦法、流速 液面法等，各種方法在流量測(cè)量測(cè)量中具有自的特點(diǎn)，可以根據(jù)被測(cè)流體、精度要求等來(lái)選擇哪種類型的超聲波流量計(jì)。最常用的是時(shí)差法（傳播速度差法）和多普勒法。 時(shí)差法 傳播速度差法是根據(jù)超聲波信號(hào)在流體介質(zhì)中，受介質(zhì)流速的影響，導(dǎo)致順流傳播和逆流傳播速度不同，從而來(lái)計(jì)算流速，進(jìn)而求得流量的。按所測(cè)物理量的不同可以分為時(shí)差法、頻差法和相位差法。就超聲波探頭的配置方法不同，傳播速度差法又分為： Z法 (透過(guò)法 )、 v法 (反射法 )、 x法 (交叉法 )等，如圖 所示。 Z法 (透過(guò)法 ) v法 (反射法 ) 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 x法 (交叉法 ) 圖 傳播速度差法的基本配置法 當(dāng)流體平行于管道中心軸方向流動(dòng)時(shí)，采用直接透過(guò)法 (z法 )測(cè)量，能夠得到較好的精度。當(dāng)流動(dòng)的方向與管道中心軸不平行或存在著沿半徑方向流動(dòng)的速度成分時(shí)，采用發(fā)射法 (v法 )，可以避免由速度分量產(chǎn)生的誤差。當(dāng)換能器安裝間隔受到限制時(shí)，可用 v 法的變形方法交叉法 (x法 )。 圖 傳播速度差法原理圖 時(shí)差法是利用超聲波在流體中傳播的時(shí)間頻率差來(lái)測(cè)量的。如圖 中，超聲波在靜止流體中的速度為 c，流體的速度為 V，管內(nèi)徑為 D，發(fā)射角為θ。 順流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間為： ??sincosvCDts ?? （ ） 逆流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時(shí)間為： ??sincosvcDtn ?? （ ） 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 傳播時(shí)間差為： )s in(co s s in2 222 ?? ?vCDvttt sn ????? （ ） 由于超聲波傳播速度 c遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于流體速度，故可以認(rèn)為 ，得 2tan2 CDvt ??? （ ） 由此可得： tDCv ?? ?tan22 （ ） 而時(shí)間差 t? 可以用控制電路來(lái)進(jìn)行控制。 多普勒法 多普勒超聲波流量計(jì)是利用聲波的多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的 ]26[ 。多普勒效應(yīng)可表述為 :當(dāng)發(fā)射器和接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，接收器所接收到的聲頻率就會(huì)發(fā)生改變，這個(gè)相對(duì)于聲源頻率 1f 的變化就是多普勒頻移 f ，其大小是正比于發(fā)射器與接收器之間的相對(duì)速度。發(fā)射角為 ? ，則多普勒頻移為 112 c o s2 fCVfff ????? （ ） 所以可 通過(guò)測(cè)量 t? 得到流速： ffcv ?? ?cos21 （ ） 這種方法測(cè)量的超聲波流量計(jì)不但具有一般超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，如可安裝在管外 ,無(wú)流動(dòng)壓損等，而且在測(cè)量時(shí)響應(yīng)靈敏、分辨率高，不易受流體的狀態(tài)參數(shù)等的影響，但它的測(cè)量精度會(huì)受固體顆粒大小、濃度的影響，所以主要應(yīng)用于精度 要求不高顆粒及雜質(zhì)比較多的不均勻流體流量測(cè)量，利用多普勒頻移來(lái)獲得流量，在比較潔凈的流體中就難以發(fā)揮作用。 相關(guān)法 相關(guān)法是建立在信息論和隨機(jī)理論的基礎(chǔ)上，相關(guān)法流量計(jì)是流動(dòng)標(biāo)記法的一種，它的原理是：大多數(shù)流體在管道內(nèi)以相關(guān)方式運(yùn)動(dòng)的湍流模式存在的，流動(dòng)介質(zhì)中可黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 以觀測(cè)到的某種示蹤標(biāo)記沿流動(dòng)方向兩固定點(diǎn)所渡越的時(shí)間 t? ，來(lái)求取流速及流量。如果在固定點(diǎn)上安裝兩對(duì)探頭，接收探頭 B 接收到的信號(hào) )(tY 在時(shí)域上是接收探頭 A接收到信號(hào) )(tX 的一個(gè)簡(jiǎn)單延遲，其延時(shí)就是示蹤標(biāo)記的渡越時(shí)間，設(shè)兩探頭間的距離為 L ，得到 tLv ?? （ ） t? 的求取是通過(guò)互相關(guān)法得到的。兩組信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)可以表示為： tTTxy dtYtXR )()(lim 0? ?? ?? ? （ ) 當(dāng)延時(shí) t??? 時(shí)， )(?R 的值很??； t??? 時(shí)，兩組信號(hào)重合， )(?xyR 達(dá)到最大。 相關(guān)法具有較高的抗干擾性，測(cè)量的準(zhǔn)確度高，多用于兩相流的流速測(cè)量中，可以采用多個(gè)控制截面來(lái)提升系統(tǒng)的測(cè)量精度。但是它的缺點(diǎn)是 需要多個(gè)超聲波傳感器，從而增加了成本，線路也變得復(fù)雜。 超聲波測(cè)量方案的確定 從前面分析的幾種超聲波流量計(jì)的原理及各方面的要求出發(fā)，同時(shí)考慮到本超聲波測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量的是不含雜質(zhì)的液體，本文采用時(shí)差法進(jìn)行測(cè)量。時(shí)差法是利用超聲波在流體中傳播的時(shí)間差來(lái)測(cè)量的，控制方法分別以順流 /逆流超聲波發(fā)射時(shí)間及時(shí)差公式（ 、 、 ）可得到傳播時(shí)間差。進(jìn)而得到在 t? 內(nèi)的傳播速度。 再利用公式 ??s in2 )(c osnssntt ttDv ?? （ ） vAtVqv ???? （ ） 來(lái)求得流速，再利用公式 （流量公式）從而算出流量。所以測(cè)出流速是本文的重點(diǎn)，而測(cè)流速關(guān)鍵又在于順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間的測(cè)量。測(cè)量流速公式中不含聲速 c，提高系統(tǒng)測(cè)量精度。為了降低成本，采用兩個(gè)探頭，兩個(gè)換能器的切換控制原理如圖 所示，兩個(gè)探頭火裝在管道的外面，順流傳播時(shí)，探頭 A發(fā)射超聲波，探頭 B接收載有流速信息