超声波流量计的原理及应用

　　0 引言

　　在工业生产中， 经常要对各种液态介质的流量进行检测，检测数据作为工艺决策、过程控制 参数调整的依据， 因此液态介质的检测的精度与方法对于生产工艺的优劣和质量的影响很大， 上世纪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。已成为流量检测的主要检测仪表。

　　1 工作原理

　　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。 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。

　　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。 下面讨论用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。

　　2 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：

　　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：

　　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：

　　式中： K—流速分布修正系数; DN—管道内径 。 K是单声道通过管道中心的流速修正系数。 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。