【導讀】由于此種檢測設(shè)備的結(jié)構(gòu)復雜，特別是在我國頒布的第一個關(guān)于乘用車燃料。儀器--基于超聲波技術(shù)的汽車油耗檢測儀器。燃油流量并通過計算電路得到燃油消耗情況的一種新型的燃油消耗檢測儀器。能穩(wěn)定可靠、測量范圍寬等特點，廣泛應(yīng)用于液體和氣體的計量。

　　

【正文】 于流體流動方向的橫向運動。層流流動時，管內(nèi)流體分層流動，各個流層之間互不混雜，平行于管道軸線方向流動，流層間沒有流體質(zhì)點的相互交換。流體通過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)點既有軸向的運動，也有橫向的運動。紊流流動時，管內(nèi)流體不再分層流動，流體中質(zhì)點除了沿管道軸線向外流動外， 還有劇烈的徑向運動，流體通過一段管道的壓力降與流量的平方成正比 ]9[ 。 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 15 區(qū)分管內(nèi)流動是層流流動還是紊流流動的判斷依據(jù)是一個無量綱數(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到最大。 管道內(nèi)的流動狀態(tài)不同，所呈現(xiàn)的流速分布也不同。人們在長期的生產(chǎn)實踐中對管內(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單的流速分布模型。即層流流動時： ])(1[ 2m a x Rrvv xx ?? (） 紊流流動時 : 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)，無量綱數(shù)。 通過檢測流體速度來求得流量的速度式流量計，一般都是檢測管道內(nèi)流體的平均流速來求得 流量的。在流量測量中，平均流速是一個很重要的參數(shù)，如計算雷諾數(shù)和流量等數(shù)據(jù)時，只要用到流速的地方，幾乎都是用平均流速來計算的。 所謂平均流速，就是指管道截面上的平均流速。當管內(nèi)流體以某一流速 dV 均勻分布時，通過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 時通過該管道截面的流量，則 dV 就是該截面上速度分布為 xV 時的平均流速。 其數(shù)學表達式為： 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 16 AdvAqv Axvd ??? （ ） 對于圓管，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 ?????? ?????? （ ） 對于超聲流量計，由于聲波并非經(jīng)過整個管道截面，而往往是經(jīng)過管道的中心軸方向，所以它測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)學表達式為： Rdvv R rx22 0?? （ ） 對于圓管，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?? （ ） 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 17 流速補償系數(shù)對流速公式的修正 測量流體通過某截面的流量時，需要測量垂直截面的面平均流速，而從穿過流體的超聲波信號中檢測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。當管道線平均流速值為 V時，它與截面平均流速 dV ，之比稱為流速補償系數(shù) K 。 由流體力學可知，流速補償系數(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，也可通過計算得到，當流體在圓形管道內(nèi)流動時， eR 可以寫成 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)流體的流動粘度， sm2 eR 的大小決定了流體的流動 狀態(tài)， K 與 eR 的關(guān)系根據(jù)流體的流動狀態(tài)不同而不同，可用如下公式計算 ]11[ ： 當流體呈層流狀態(tài)時： 34?K （ ） 當流體呈紊流狀態(tài)時： 2 3 ???? eRK （ ） 當流體流動狀態(tài)介于層流狀態(tài)與紊流狀態(tài)之間時： eLgRK ?? （ ） 以上 K 的計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前后有足夠的直管段。事實上，由于流速分布規(guī)律的復雜性，特別是對紊流狀態(tài)下的流速分布規(guī)律，還沒有十分準確的認識，因此如何得到比較精確的 K 值是制約超聲流量計進一步黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 18 提高測量精度的關(guān)鍵問題之一。但是到目前為止，由于管道流體流速分布規(guī)律的復雜性，人們對流體流速分布規(guī)律和流速分布的研究僅限于理想管道流，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。 超聲波流量測量的原理 超聲波流量計按其測量原理其常用的測量方法有：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，各種方法在流量測量測量中具有自的特點，可以根據(jù)被測流體、精度要求等來選擇哪種類型的超聲波流量計。最常用的是時差法（傳播速度差法）和多普勒法。 時差法 傳播速度差法是根據(jù)超聲波信號在流體介質(zhì)中，受介質(zhì)流速的影響，導致順流傳播和逆流傳播速度不同，從而來計算流速，進而求得流量的。按所測物理量的不同可以分為時差法、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 (透過法 )、 v法 (反射法 )、 x法 (交叉法 )等，如圖 所示。 Z法 (透過法 ) v法 (反射法 ) 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 19 x法 (交叉法 ) 圖 傳播速度差法的基本配置法 當流體平行于管道中心軸方向流動時，采用直接透過法 (z法 )測量，能夠得到較好的精度。當流動的方向與管道中心軸不平行或存在著沿半徑方向流動的速度成分時，采用發(fā)射法 (v法 )，可以避免由速度分量產(chǎn)生的誤差。當換能器安裝間隔受到限制時，可用 v 法的變形方法交叉法 (x法 )。 圖 傳播速度差法原理圖 時差法是利用超聲波在流體中傳播的時間頻率差來測量的。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間為： ??sincosvCDts ?? （ ） 逆流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時間為： ??sincosvcDtn ?? （ ） 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 20 傳播時間差為： )s in(co s s in2 222 ?? ?vCDvttt sn ????? （ ） 由于超聲波傳播速度 c遠遠大于流體速度，故可以認為 ，得 2tan2 CDvt ??? （ ） 由此可得： tDCv ?? ?tan22 （ ） 而時間差 t? 可以用控制電路來進行控制。 多普勒法 多普勒超聲波流量計是利用聲波的多普勒效應(yīng)進行測量的 ]26[ 。多普勒效應(yīng)可表述為 :當發(fā)射器和接收器之間有相對運動的時候，接收器所接收到的聲頻率就會發(fā)生改變，這個相對于聲源頻率 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速度。發(fā)射角為 ? ，則多普勒頻移為 112 c o s2 fCVfff ????? （ ） 所以可 通過測量 t? 得到流速： ffcv ?? ?cos21 （ ） 這種方法測量的超聲波流量計不但具有一般超聲波流量計的優(yōu)點，如可安裝在管外 ,無流動壓損等，而且在測量時響應(yīng)靈敏、分辨率高，不易受流體的狀態(tài)參數(shù)等的影響，但它的測量精度會受固體顆粒大小、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量，利用多普勒頻移來獲得流量，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理論的基礎(chǔ)上，相關(guān)法流量計是流動標記法的一種，它的原理是：大多數(shù)流體在管道內(nèi)以相關(guān)方式運動的湍流模式存在的，流動介質(zhì)中可黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計 21 以觀測到的某種示蹤標記沿流動方向兩固定點所渡越的時間 t? ，來求取流速及流量。如果在固定點上安裝兩對探頭，接收探頭 B 接收到的信號 )(tY 在時域上是接收探頭 A接收到信號 )(tX 的一個簡單延遲，其延時就是示蹤標記的渡越時間，設(shè)兩探頭間的距離為 L ，得到 tLv ?? （ ） t? 的求取是通過互相關(guān)法得到的。兩組信號的互相關(guān)函數(shù)可以表示為： tTTxy dtYtXR )()(lim 0? ?? ?? ? （ ) 當延時 t??? 時， )(?R 的值很小； t??? 時，兩組信號重合， )(?xyR 達到最大。 相關(guān)法具有較高的抗干擾性，測量的準確度高，多用于兩相流的流速測量中，可以采用多個控制截面來提升系統(tǒng)的測量精度。但是它的缺點是 需要多個超聲波傳感器，從而增加了成本，線路也變得復雜。 超聲波測量方案的確定 從前面分析的幾種超聲波流量計的原理及各方面的要求出發(fā)，同時考慮到本超聲波測試系統(tǒng)測量的是不含雜質(zhì)的液體，本文采用時差法進行測量。時差法是利用超聲波在流體中傳播的時間差來測量的，控制方法分別以順流 /逆流超聲波發(fā)射時間及時差公式（ 、 、 ）可得到傳播時間差。進而得到在 t? 內(nèi)的傳播速度。 再利用公式 ??s in2 )(c osnssntt ttDv ?? （ ） vAtVqv ???? （ ） 來求得流速，再利用公式 （流量公式）從而算出流量。所以測出流速是本文的重點，而測流速關(guān)鍵又在于順流傳播時間和逆流傳播時間的測量。測量流速公式中不含聲速 c，提高系統(tǒng)測量精度。為了降低成本，采用兩個探頭，兩個換能器的切換控制原理如圖 所示，兩個探頭火裝在管道的外面，順流傳播時，探頭 A發(fā)射超聲波，探頭 B接收載有流速信息