【正文】 基本原理和主要測(cè)量方法 。 167。 超聲波流量 計(jì) 聲學(xué)原理 其他測(cè)量原理的超聲波流量計(jì)： 超聲束位移法 、 超聲波多普勒法 。 流體 聲速： c (1)流體靜止 時(shí)： c1 =c2 (2)流體流動(dòng) 時(shí) ： 順流 : c1=c+u 逆流 : c2=cu ?測(cè) c1 和 c2 u=2(c1c2) 測(cè)量超聲波順流和逆流之間的差別確定流體流速 . 方法： 時(shí)間差法 、 相位差法 、 頻率差法 等 一、 聲學(xué)原理 變換器 ： 發(fā)射器 、 接收器 聲導(dǎo) (或稱聲楔 ) 機(jī)械聯(lián)結(jié)組件等 。 電子電路 ： 發(fā)射和接收電路，信號(hào)處理電路，流量顯示等部分。 ?組成 64 二、變換器 按測(cè)量方式分 ： 接觸式和非接觸式。 從聲學(xué)角度分 ： 無(wú)折射 和 有折射 式。 無(wú)折射變換器 ： 有折射式變換器 ： 聲導(dǎo) (楔形 ) 聲導(dǎo) 作用 ： （ 2） 波型轉(zhuǎn)換 （ 1） 防止超聲換能元件 與被測(cè)媒質(zhì)接觸； 利用管壁 多個(gè)折射面的變換器、 雙通道 變換器 、單通道切換式 變換器 。 167。 超聲波流量計(jì)聲學(xué)原理 65 167。 超聲波流量 計(jì) 的流體力學(xué)分析 討論超聲波射線在流動(dòng)被測(cè)媒質(zhì)中的傳播情況。 流動(dòng)狀態(tài) 紊流狀態(tài) ： 層流狀態(tài) ： 流 速呈對(duì)數(shù)分布 （ 均勻 ） 流 速呈拋物線分布 （ 不均勻 ） 超聲波流量計(jì)適用 于 紊流狀態(tài)流體 。 4000e DuR ???雷諾數(shù) ? ： 流體的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù) 。 臨界流速 u： 達(dá)到紊流狀態(tài)的最低流速。 如 直徑為 300毫米的管道水的臨界流速為 1－ 3厘米 178。 秒 1。 Q u A??時(shí)，達(dá)到紊流狀態(tài) 。 體 積流量 ： 管道的橫截面積 u214AD??： 沿著管道橫截面的平均流體流速 測(cè)得 ， 可求出流量 。 u Q66 軌跡 為 曲線 P — 39。B( ) { 1 [ 1 . 8 7 5 1 . 2 5 l n ( 1 ) ] }2 ru r uR?? ? ? ?? ： 為光滑圓管的阻力系數(shù) 超聲波射線在流體中的傳播軌跡 ： 21s i n s i ncc???（ 1） 流體靜止 ： 傳播軌跡 為 P－ B. （ 2） 流體流動(dòng) ： 22uc c u??21s i n s i nuu cc???在點(diǎn) P和 點(diǎn)處， 39。B 0u? u???0r? muu? um???處 在 點(diǎn)的出射角與點(diǎn) B 的出射角相等 ， 即仍為入射角 。 39。B ?P 2c167。 超聲波流量計(jì)的流體力學(xué)分析 ?= 沿著管道橫截面的流速 67 假定： (1) 管道內(nèi)各點(diǎn)流速沿橫截面均勻分布 ， 等于 ； (2) 不考慮超聲波射線在流動(dòng)媒質(zhì)中傳播時(shí)的曲線軌跡和傳播方向的改變 ； (3) 忽略聲導(dǎo)折射面上的曲率 ， 并認(rèn)為管道內(nèi)壁是光滑的 。 us i n 9 0um? ? ?? ? ?： 超聲波射線與管道軸線之間的夾角 ?超聲波在流動(dòng)被測(cè)媒質(zhì)中的傳播速度 22 c osuc c u ???uu面平均流速 ： 管道橫截面 上的 平均流速 線平均流速 ： 超聲射線上 的 平均流速 。 超聲波流量計(jì)所測(cè)之流速 . 線平均流速與面平均流速之差異可以通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)修正系數(shù)來(lái)計(jì)算。 167。 超聲波流量計(jì)的流體力學(xué)分析 68 167。 主要 測(cè) 量方法 一、 時(shí) 差法 時(shí)差法 ： 測(cè)量超聲波脈沖順流和逆流傳播的時(shí)間差 。 順流發(fā)射時(shí) , 超聲脈沖傳播時(shí)間 逆流發(fā)射時(shí) , 超聲脈沖傳播時(shí)間 12s i nc o sDtcu ?????22sinc o sDtcu ?????c1 c3 c2 u 13132 ( ) ellcc??? ? ?電路延遲時(shí)間 聲導(dǎo)及管道壁中的延時(shí) 設(shè)順流和逆流延時(shí)相同 ， 222cu21t t t? ? ?時(shí)差 222 D c t gtuc???69 （ 米 3 小時(shí) 1 ） 222c t gutD???22450Q D c t g t????超聲波流量計(jì)的基本方程 ： ??2c聲速 是溫度的函數(shù) 。 2c流量測(cè)量相對(duì)誤差就等于 的相對(duì)變化的兩倍 。 例： D=300毫米、 =1500米 .秒 = 178。 秒 =20 176。 時(shí)， 2c u ?t? ≈1 微秒 t?時(shí)差法需要測(cè)量微小時(shí)間差 D t?值很大時(shí)， 增大 。 適于大口徑管道、河道等。 一、 時(shí) 差法 167。 主要 測(cè) 量方法 70 二、相差法 檢測(cè) 順流和逆流發(fā)射時(shí) 所接收到的信號(hào) 之間 的相位差 。 t??? ? ?順流 ： 11t???逆流 ： 22t???： 時(shí)差 t? 222 D c t g uc?????相差法流量計(jì)的基本方程 ： 222c t guD? ????22225 D c t gQf? ???調(diào)相器 ： 調(diào)整相位檢波器的起始工作點(diǎn)以及校正零位 。 相差法避免了測(cè)量微小時(shí)間差，把時(shí)間差轉(zhuǎn)換成相位差來(lái)測(cè)量，可提高測(cè)量精度。 聲速隨溫度而變化。 167。 主要測(cè)量方法 71 三、 頻 差法 “回鳴 ” 或 “ 團(tuán)轉(zhuǎn) ” 方法。 順流重復(fù)頻率 逆流重復(fù)頻率 對(duì)于無(wú)折射軸向式變換器 ： 11211()f t D c u?? ?22211()f t D c u?? ?122f f f uD? ? ? ? 只與頻率差有關(guān) ， 與 無(wú)關(guān) ， 這是頻差法的主要特點(diǎn) 。 u 2c 對(duì)于有折射變換器 ： 11121 []( c o s ) s i nDft c u ????? ? ??12221 []( c o s ) s i nDft c u ????? ? ??D D 167。 主要測(cè)量方法 72 1222s i n 2s i n( 1 )f f f ucDD???? ? ? ? ?22 s i n( 1 )s i n 2cDDuf??????223s i n( 1 )900s i n 2cDQ D f???????頻差法流量計(jì)基本方程如下： 112 ( )b ebllcc??? ? ?頻差法 受溫度影響小。 167。 主要測(cè)量方法 73 四、超聲束位移法 超聲束在流動(dòng)的流體 中 產(chǎn)生偏移 ， 偏移量 與 流體流速 有關(guān)。 （ 1） 當(dāng) 流體靜止 時(shí) ： 0IJ1和 J2的接收信號(hào) 的 強(qiáng)度都等于 u（ 2） 當(dāng) 流體以流速 移動(dòng)時(shí) 超聲射線方向偏移角度 02LutgDc? ??L ： 射線的偏移量 有折射變換器 ： L 兩個(gè)接收信號(hào)的強(qiáng)度之差值 也越大。 愈大 ， 數(shù)值很小，只有直徑 的 ％左右 L D設(shè)多次反射次數(shù)為 ， 則 N39。L N L39。2 c o sDL N uc ??I?2c無(wú) 折射變換器 ： 167。 主要測(cè)量方法 D L u 74 39。02 c o sI L N Dk k uI d d c ?? ??d0Ik： 超聲射線束的平均寬度 ： 流體靜止時(shí)任一接收信號(hào)的強(qiáng)度 ： 比例恒量 接收信號(hào)強(qiáng)度 I ? 聲束寬度 2 c o sd c Iuk N D I? ??1N? ： 無(wú)折射情 況 在低流速時(shí)，測(cè)量靈敏度很低 。 要求管道內(nèi)壁光滑、內(nèi)徑大 、 衰減系數(shù)小 ， 適用性不大 。 應(yīng)用 于 高速穩(wěn)定流體的流量測(cè)量。 線路簡(jiǎn)單。 167。 主要測(cè)量方法 75 五、超聲多普勒法 00()()Fsf c u uf c u u?????（ 1）粒子作接收器 ： ：粒子 反射的超聲波頻率 39。0f（ 2）粒子散射波作聲源： 239。02(0 c o s )( c o s c o s )Jf cuf c u u???????? 2 2c o scuc???22c o sc o sJFcuffcu????? 22 c o s( 1 )JFuffc??多普勒頻移 22 c o sJ F Fuf f f fc?? ? ? ? 22 c o s Fcfuf???39。0 22( c o s ( c o s ) )(0 ( c o s ) )Ff c u uf c u???? ? ? ??? ? ?22 c o sccu ?? ?由（ 1）和（ 2） 特點(diǎn) ： （ 1） 適用含有懸浮粒子的流體 ； （ 2） 有折射式變換器，基本不受溫度的影響 。 167。 主要測(cè)量方法 FfJf懸浮粒子 流體 39。0f發(fā)射連續(xù)超聲波 76 將上式代入 各種方法的流量計(jì)基本方程 ，就可 寫(xiě)成以入射角 表示的形式 。 167。 變換 器的若干 問(wèn)題 ?一、以入射角 表示的超聲流量 計(jì) 基本方程 11sinsinbcc?? ?221sinsin bcc?? ?bc1c??1?2?2cu221s i n s i n s i n c o sc nc? ? ? ?? ? ?21c?： 折射 系 數(shù) 夾角 與折射面?zhèn)€數(shù) 及管壁材料無(wú)關(guān)，只決定于入射角 和折射 系 數(shù) 值 （已知量） 。 ? ? n?77 二、 波型 轉(zhuǎn)換問(wèn)題 和 變換 器 結(jié) 構(gòu) 兩個(gè)折射面的變換器 ： 兩束 四束 六束 (有兩條波重合） 流體 在接收換能器聲導(dǎo)內(nèi)側(cè)則產(chǎn)生六束 (其中有兩條波重合）超聲波束。對(duì)接收換能器的接收信號(hào)的選擇不利。 通常選 大于第一臨界角 (縱波 )而小于第二臨界角（橫波）。 ?波束數(shù)目都將減半，以減少接收聲導(dǎo)中的聲混響。 聲導(dǎo)： 有機(jī)玻璃 縱波速度 為 2780米 178。 秒 1。 管壁 (金屬鋼材 )： 橫波速度 3200米 178。 秒 1； 縱波聲速 5800米 178。 秒 l 22780a r c s i n 6 03200? ?12780a r c s i n 2 8 . 75800? ?第一臨界角 第二臨界角 ? 選在 40 — 50 176。 之間 167。 變換 器的若干 問(wèn)題 78 167。 靈敏度和 測(cè) 量范 圍 各 種 超聲波流量 計(jì) 的比 較 分析 tu?u?? fu?靈敏度 ＝ 測(cè)量的特征量 流體流速 、 、 測(cè)量范圍 ： 流速測(cè)量的上限和下限的起止范圍 。 測(cè)量范圍與各方法的特征量有關(guān)即與靈敏度有關(guān)。 一、 時(shí) 差法 測(cè)量范圍 ： 沒(méi)有上限 ， 下限受時(shí)差測(cè)量的限制 。 如時(shí)標(biāo)脈沖頻率 100MHz， 測(cè)時(shí)絕對(duì)精度 為 ， 要保證 1％的測(cè)量誤差， 1ts?下限 ＝= 178。 秒 1 222c t gutD???下限? =20176。 D =300毫米 2c=1500米 178。 秒 l ?不適于 低流速的測(cè)量 。 時(shí)間擴(kuò)展法 ： 使超聲波順流和逆流分別發(fā)射 次 ， 時(shí)差將增大 倍 （ ） 。 流速下限不變的條件下 ， 相對(duì)精度相應(yīng)提高 倍 ； NNN t?N1N 在測(cè)時(shí)精度不變的條件下，流速下限擴(kuò)展到 。 如 靈敏度 ： 只有在大直徑 管道和較低流體聲速