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超声波流量计原理

时间:2021-06-25
超声波流量计(以下简称USF)是通过检测流体流动对超声波束流(或超声波脉冲)的作用来测量体积流量的仪器。该文主要讨论测量封闭管道中液体流量的USF。随着电子技术的发展,20世纪70年代,各种性能日趋完善的USF已投入市场。由于USF测量原理是长度和时间两个基本量的组合,因此它的导出量溯源性较好,因此可以据此建立流量基准。
*段是如何工作的。
根据测量原理,对封闭管道的USF进行了分类:①传播时间法;②多普勒效应法;③波束偏移法;④相关性法;⑤噪声法。本论文讨论了利用得zui多的传播时间法和多普勒效应法测量仪器。
1.1传播时间的方法。
声速沿流体传播时,顺流方向的声速增加,逆流方向减小,同一传播距离具有不同的传播时间。根据传播速度差异与被测流体流速的关系求得流速,即传播时间法。根据测量的具体参数,可分为时差法、相位差法和频差法。本文用时差方法阐述了工作原理。
(1)流量方程。
在图1中可以看到,超声波流量计逆流从传感器1送到传感器2的传播速度c被流体流速Vm减慢,如下:
(1)
相反地,由于流体的流动,顺流从传感器2传输到传感器1的传播速度会加快,即:
(2)
式(1)减(2),并变换,得。
(3)
型中L—超声波在传感器之间传播路径长度,m;
X-传播路径的轴向成分,m;
t12,t21——从传感器1到传感器2以及从传感器2到传感器1的传播时间,s;
c-液体在静止液体中的传播速度,m/s;
Vm——流体通过传感器1到2之间的声道平均流速,m/s。
时差方法与频差(速率)法、差差法原理方程的基本关系为基本关系。
(4)
5))
公式△f-频率差;
Φ-相位差;
f21、f12——流体中超声的顺流和逆流传播频率;
f-频度;
从这一点可以看出,相位差法本质上和时差法是一样的,而频率和时间有时是相互倒数的,三种方法没有本质区别。现在还没有采用相位差方法,用频差法测量仪器也不多。
(2)流量方程。
用传播时间法测量和计算的流速为管道上平均流速,而计算的流速则为流通横管表面平均流速,两者的数值不同,其差异取决于流速分布情况。所以,必须用某种方法来补偿流速分布。另外,对于夹装式传感器仪表,为了测量其流量,还必须补偿温度变化对其的影响。容积流量qv是
(6)
式中K—速度分布修正系数,即声道上线流速度Vm和平面平均流速v的比值,K=Vm/v;
激光-管子内径。
就是单声道通过管道中心(即zui大流速管轴对称流场)的速度(分布)修正系数。管径雷诺数的变化K值将发生变化,量程范围度为10,K值变化在1%左右;范围度为100时,K值变化2%左右。由层流到湍流的流动,其K值变化在30%左右。因此,在测量时,必须对K值进行动态补偿。
一、装夹换能器仪表的声道角度修正装夹换能器USF除作流速分布修正外,必要时还作声道角度变化影响修正。基于Snall定律式(7)和图2,声道角度θ与流体中声速c有关,c是流体温度的函数(如水,见图3),因此,必须对θ角度进行自动跟踪补偿,以实现温度补偿。
7)
声楔内φ0-超声波入射角度;
Φ1,φ-超声在管壁流体中的折射角;
c0,c1,c-声楔,管壁,液体声速测量。
不仅受流体声速的影响,而且与声楔及管壁材料中的声速有关。但是,由于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,当温度变化不大时,对测量值的影响可以忽略。但当温度变化范围很大时(例如高低温换能器的工作温度范围-40-200℃),声楔和管壁上的声速变化都必须进行修正。
二是多通道直射式传感器仪表的流量方程式,直射式传感器仪表的流量方程式不受管壁材料的温度变化的影响。用高斯积分法或其它方法计算流量的多通道仪器是常用的方法。图4是四声道的原理模型,用流量计算公式(8)表示。
(8)
式中DN-量测段内沿声道垂直方向的圆管平均内径或矩形管内高度;
S高斯修正因子;
音符-每个音符的高斯积分加权数;
三、每个声道长度;
每条声道的平均流速;
αi-各声道声道角;
N-声道
2.2多普勒(效应)法。
多普勒(效应)法USF是利用静止(固定)点的多普勒频移现象来检测来自移动源的声波的发射。
(1)速度方程。
从图5可以看出,超声波换能器A对流体发出频率为fA的连续声号,在辐射域内液体中散射悬浮粒子或散射声号,散射声号产生多普勒频移fd,接收换能器B接收频率为fB的声号,其值为。
9)。
式中v-散射体移动速度。
流速的多普勒频移与散射体流速成正比。
(10)
测定对象确定后,式(10)右侧除v外均为常量,移行后得。
(11)
(2)流量方程。
USF的多普勒法流量方程与式(6)相同,只是所测得的速度为各散射体的速度v(在代数式中为Vm),与载体液体管道的平均流速数值不一致;其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心处时得到散射波的系数。
(3)修正液体温度的影响。
又如流体声速c,c是温度的函数,液体温度的变化会引起测量误差。温度对固体的影响比液体小一个数量级,即在式(11)中的流体声速c被声楔的声速c0所代替,以减少对使用液体声速的影响。由于由图6可知,cosθ=sinφ,再按照斯纳尔定律,sinφ/c=sinφ0/c0,式(11)则是可得式(12),其中c0/sinφ0可以被视为常量。

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