超声波流量计算公式及原理

一、超声波概述

 

超声波是一种机械波，是机械振动在媒质中的传播过程。20kHz以上频率的机械波称为超声波，其波长较短，近似直线传播，在固体和液体媒质内衰减比电磁波小，能量容易集中，可形成较大强度，产生剧烈振动，并能引起很多特殊作用。

 

用来发射和接收超声波的装置称为超声波换能器，超声波换能器可分为发射换能器和接 收换能器两大类。发射换能器是使其他形式的能量转换为超声波的能量，而接收换能器是使 超声波的能量转换为其他形式易于检测的能量。

 

流量测量中常采用压电换能器，制作压电换能器的材料有压电单晶体（如石英）和多晶 压电陶瓷（如钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷等）。

 

压电片的振动方式有薄片的厚度振动、纵片的长度振动及横片的长度振动等。

 

二、超声波流量计原理

 

超声波在顺流与逆流中传播速度之差与介质流速有关，测得介质流速即可得出流量。超 声波在顺、逆流中传播情况如图5-16所示。测定传播速度差的方法很多，主要有时间差、相位差和频率差等方法。 

超声波在管壁间的传播轨迹如图5 - 17所示。

三、超声波流量计算公式

1-时间差法

设静止流体中的声速为c，流体流速为w，流体静止时超声轨迹与管道轴线之间的夹角为θ,管道直径为d，则 

 

 

存在的问题：①声速c受介质温度、密度等变化的影响，且声速的温度系数并非常数。当声速变化时，由此产生的流量测量的相对误差将等于声速相对误差的两倍；②时间差Ar 的数量级很小。例如 D=300mm，v =1. 33m/s, c =1500m/s,  θ=20°时，?t=1×10^-6s。如果要保证1%的准确度，则要求测量时间差?t达到0.01μs的准确度，所以对电子线路的要 求很高，并且限制了测量流速的下限。

时间差法超声波流量计原理如图5 - 18所示。 

 

 

2. 相位差法.

如果换能器发射连续超声波或者发射周期较长的脉冲波列，则在顺流和逆流发射时接收到的信号之间就产生了相位差?φ=ω?t，而ω=2πf，则流速公式为

 

式中
ω — 角频率；

?φ — 顺流和逆流发射时接收到的超声波信号之间的相位差。

可见相位差和频率成正比，频率越高，测量的灵敏度也越高。采用相位差法可以消除声速的影响。

3.频率差法

在管壁的斜对面固定两个超声波换能器，并兼作超声波发送和接收单元。由一侧的换能 器产生的超声波脉冲依次穿过管壁、流体、管壁为另一侧的换能器所接收，并转换为电脉冲，经放大后再用此电脉冲来激发对面的换能器，形成单环自激振荡，振荡周期由超声波在流体中的顺流传播速度决定。周期的倒数即单环频率。

一定时间间隔以后，切换电路使发射换能器切换成接收换能器，接收换能器切换成发射换能器，测出取决于超声波在逆流中传播速度的单环频率。如此循环交替地测出f1、f2。 

 

式中
f1、f2 — 超声波在顺流和逆流中传播的频率； 
v — 流体平均流速。

 

当D、θ、τ、c为常数时，频率差?f与流体平均流速成线性关系，因此，只要测出频率差即可得到流量。由于τ很小，在大口径管道中括号内的第二项可忽略，去掉滞后时间τ后可得 

 

式中
K — 流量修正系数，可查表； 
f₀——超声波基准频率。

超声波流量计属于非接触式测量仪表，对流体流动无干扰，无阻力，不产生压力损失； 受介质物理性质的限制比较少，适应性较强。它可用于高温、高压、防爆、强腐蚀性、黏性、非导电、浑浊度大的液体的流量测量，而且准确度高；量程比较宽，可达5: 1;输出 与流量之间为线性；安装方便。只要将管外壁打磨光，擦上硅油，使其接触良好即可。其缺点是当液体中含有气泡或有噪声时，会影响声波传播；结构复杂，成本高。

超声波流量计实际测定的是流体速度，它将受速度分布不均的影响，故要求变送器前后 分别有10D和5D的直管段长度。