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二、变换器 按测量方式分： 接触式和非接触式。 从声学角度分： 无折射 和有折射式。 无折射变换器： 有折射式变换器： 声导(楔形) 声导作用： （2）波型转换 （1）防止超声换能元件 与被测媒质接触； 利用管壁 多个折射面的变换器、双通道变换器、单通道切换式变换器。 §4.1 超声波流量计声学原理 §4.2 超声波流量计的流体力学分析 讨论超声波射线在流动被测媒质中的传播情况。 流动状态 紊流状态： 层流状态： 流速呈对数分布 （均匀） 流速呈抛物线分布 （不均匀） 超声波流量计适用于紊流状态流体。 雷诺数 ：流体的运动粘滞系数。 临界流速u：达到紊流状态的最低流速。 如直径为300毫米的管道水的临界流速为1－3厘米·秒-1。 时，达到紊流状态。 体积流量 ：管道的横截面积 ：沿着管道横截面的平均流体流速 测得 ，可求出流量 。 轨迹为曲线 P — ：为光滑圆管的阻力系数 超声波射线在流体中的传播轨迹： （1）流体静止： 传播轨迹为P－B. （2）流体流动： 在点P和 点处， 处 在 点的出射角与点B 的出射角相等，即仍为入射角 。 P §4.2 超声波流量计的流体力学分析 =0.003 沿着管道横截面的流速 假定： (1) 管道内各点流速沿横截面均匀分布，等于 ； (2) 不考虑超声波射线在流动媒质中传播时的曲线轨迹和传播方向的改变； (3) 忽略声导折射面上的曲率，并认为管道内壁是光滑的。 ：超声波射线与管道轴线之间的夹角 超声波在流动被测媒质中的传播速度 面平均流速 ：管道横截面上的平均流速 线平均流速 ：超声射线上的平均流速; 超声波流量计所测之流速. 线平均流速与面平均流速之差异可以通过流体动力学修正系数来计算。 §4.2 超声波流量计的流体力学分析 §4.3 主要测量方法 一、时差法 时差法：测量超声波脉冲顺流和逆流传播的时间差。 顺流发射时, 超声脉冲传播时间 逆流发射时, 超声脉冲传播时间 c1 c3 c2 u 电路延迟时间 声导及管道壁中的延时 设顺流和逆流延时相同， 时差 （米3 小时-1 ） 超声波流量计的基本方程： 声速 是温度的函数。 流量测量相对误差就等于 的相对变化的两倍。 例：D=300毫米、 =1500米.秒-1、 =1.3米·秒-1、 =20 ° 时， ≈1 微秒 时差法需要测量微小时间差 值很大时， 增大。 适于大口径管道、河道等。 一、时差法 §4.3 主要测量方法 二、相差法 检测顺流和逆流发射时所接收到的信号之间的相位差。 顺流： 逆流： ：时差 相差法流量计的基本方程： 调相器：调整相位检波器的起始工作点以及校正零位。 相差法避免了测量微小时间差，把时间差转换成相位差来测量，可提高测量精度。 声速随温度而变化。 §4.3 主要测量方法 三、 频差法 “回鸣” 或“团转”方法。 顺流重复频率 逆流重复频率 对于无折射轴向式变换器： 只与频率差有关，与 无关， 这是频差法的主要特点。 对于有折射变换器： D D §4.3 主要测量方法 频差法流量计基本方程如下： 频差法受温度影响小。 §4.3 主要测量方法 四、超声束位移法 超声束在流动的流体中产生偏移，偏移量与流体流速有关。 （1）当流体静止时： J1和J2的接收信号的强度都等于 （2）当流体以流速 移动时 超声射线方向偏移角度 ：射线的偏移量 有折射变换器： 两个接收信号的强度之差值 也越大。 愈大， 数值很小，只有直径 的0.1％左右 设多次反射次数为 ，则 无折射变换器： §4.3 主要测量方法 D L u ：超声射线束的平均宽度 ：流体静止时任一接收信号的强度 ：比例恒量 接收信号强度 声束宽度 ：无折射情况 在低流速时，测量灵敏度很低。 要求管道内壁光滑、内径大、衰减系数小， 适用性不大。 应用于高速稳定流体的流量测量。 线路简单。 §4.3 主要测量方法 五、超声多普勒法 （1）粒子作接收器： ：粒子反射的超声波频率 （2）粒子散射波作声源： 多普勒频移 由（1）和（2） 特点： （1）适用含有悬浮粒子的流体；（2）有折射式变换器，基本不受温度的影响。 §4.3 主要测量方法 悬浮粒子 流体 发射连续超声波 将上式代入各种方法的流量计基本方程，就可写成以入射角 表示的形式。 §4.4 变换器的若干问题 一、以入射角 表示的超声流量计基