超声波流量计原理及应用.pdf

超声波流量计原理及应用 前言超声流量计(以下简称USF)是通过检测流体流动时对超声束(或超声脉冲)的作用，以测 量体积流量的仪表。本文主要讨论用于测量封闭管道液体流量的USF。 20世纪70年代随着电子技术的发展，性能日益完善的各种型号USF投入市场。有人预言 由于USF测量原理是长度与时间两个基本量的结合，其导出量溯源性较好，有可能据此建立流 量基准。 第一节工作原理 封闭管道用USF按测量原理分类有： ①传播时间法； ②多普勒效应法； ③波束偏移法； ④相关法； ⑤噪声法。 本文将讨论用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。 1.1传播时间法 声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有 不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。按测 量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法。现以时差法阐明工作原理。 (1)流速方程式 如图1所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢， 为： (1) 反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快，为： (2) 式(1)减式(2)，并变换之，得 (3) 式中L——超声波在换能器之间传播路径的长度，m; X——传播路径的轴向分量，m; t12、t21——从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间，s; c——超声波在静止流体中的传播速度，m/s; Vm——流体通过换能器1、2之间声道上平均流速，m/s。 时(间)差法与频(率)差法和相差法间原理方程式的基本关系为: (4) (5) 式中f——频率差； φ——相位差； f21,f12——超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率； f——超声波的频率。 从中可以看出，相位差法本质上和时差法是相同的，而频率与时间有时互为倒数关系，三 种方法没有本质上的差别。目前相位差法已不采用，频差法的仪表也不多。 (2)流量方程式 传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速，而计算流量所需是流通横截面的 面平均流速，二者的数值是不同的，其差异取决于流速分布状况。因此，必须用一定的方法对 流速分布进行补偿。此外，对于夹装式换能器仪表，还必须对折射角受温度变化进行补偿，才 能精确的测得流量。体积流量qv为 (6) 式中K——流速分布修正系数，即声道上线平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流 速v之比，K vm/v； DN－管道内径。 K是单声道通过管道中心(即管轴对称流场的最大流速处)的流速(分布)修正系数。管道雷诺 数ReD变化K值将变化，仪表范围度为10 时，K值变化约为1％；范围度为100 时，K值约 变化2％。流动从层流转变为紊流时，K值要变化约30％。所以要精确测量时，必须对K值进 行动态补偿。 1)夹装式换能器仪表声道角的修正 夹装式换能器USF除了做流速分布修正外，必要时还要做声道角变化影响的修正。根据斯 那尔(Snall)定律式(7)和图2，声道角θ随流体中声速c的变化而变化，而c又是流体温度的函数 (以水为例，见图3)，因此，必须对θ角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。 (7) 式中φ0－超声在声楔中的入射角； φ1、φ－超声在管壁、流体中的折射角； c0、c1、c－声楔、管壁、被测流体的声速。 θ角不但受流体声速影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而因为一般固体材料的声 速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条件下对测量精确度的影响可以 忽略不计。但是在温度变化范围大的情况下(例如高低温换能器工作温度范围-40-200℃)就必须 对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。 2)多声道直射式换能器仪表的流量方程式 直射式换能器仪表的流量方程没有管壁材料折射温度变