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      超声流量计的原理

         作者杨宏鹏    发布时间2007年8月11日  

          超声流量计的原理
          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?#20013;?#21495;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按测量原理分类有传播时间法多普?#25307;?#24212;法波束偏?#21697;?#30456;关法噪声法本文将讨论用得最多的传播时间法?#25237;?#26222;?#25307;?#24212;法的仪表 1.1 传播时间法声波在流体中传播顺流?#36739;?#22768;波传播速度会增大逆流?#36739;?#21017;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?#30331;?#21462;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?#20132;?#33021;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?#20132;?#33021;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; t12t21从换能器1?#20132;?#33021;器2和从换能器2?#20132;?#33021;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12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 ա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?#20132;?#33021;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?#30528;?#25968;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?#21040;?#34892;动态补偿 1 夹装?#20132;?#33021;器仪表声道角的修正 夹装?#20132;?#33021;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因此必须对角进行自动跟踪补偿以达到温度补偿的目的 (7) 式中 0超声在声楔中的入射角 1գ超声在管壁流体中的折射角 c0c1c声楔管壁被测流体的声速 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棩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?#20132;?#33021;器仪表的流量方程式直射?#20132;?#33021;器仪表的流量方程没有管壁材料折射温度变化影响多声道仪表常用高斯积分法或其他积分法计算流量图4是以四声道为例的原理模型流量计算式8所示 8式中 DN测量?#25991;?#19982;声道垂直?#36739;?#19978;的圆管平均内径或矩形管道的平均内高 S高斯修正系数 Wi各声道高斯积分加权数 Li各声道长度 Vi各声道线平均流速 i各声道声道角 N声道数 2.2 多普勒效应法多普勒效应法USF是利用在静止固定点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象1 流速方程式 如图5所示超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射散射的超声波产生多普勒频移fd接收换能器B收到频率为fB的超声波其值为 (9) 式中 v散射体运动速度多普勒频移fd正比于散射体流动速度 (10) 测量对象确定后式10右边除v外均为常量移行后得 (11) 2流量方程式 多普勒法USF的流量方程式形式上与式6相同只是所测得的流速是各散射体的速度v代替式中的vm与载体液体管道平均流速数值并不一致方程式中流速分布修正系数Kd以代替K0 Kd是散射体的照射域在管中心附近的系数其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数3 液体温度影响的修正 式11中又流体声速c而c是温度的函数液体温度变化会引起测量误
         
         
         
         
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