多声道超声波流量计的原理与应用

　　超声波测流的最大优点是非接触式,对被测介质无干扰、无污染。因此,超声波流量计被广泛地应用于水利、电力、石油、化工、自来水及食品等行业。

　　1　超声波测流原理

　　1.1　单声道超声波流量计原理

　　超声波流量计按测量原理可分为:时差法、多普勒频移法、相位差法和噪音法等,这些方法各有特点,可根据待测对象及要求的精度进行选择。由于时差法测量精度高、抗干扰强及使用方便等,因此,在水电站、泵站和大型输水供水工程测流中得到了广泛的应用。

　　时差法超声波流量计(Transit Time UltrasonicFlowmeter)的测流原理如图1所示。利用1对超声波换能器相向交替或同时收发超声波,通过测量超声波在介质中的顺流和逆流传播的时间差,然后通过公式计算出流体的流速,再间接计算流量。

　　2只换能器(传感器)分别安装在流体管线的两侧,并相隔一定的距离。假设,管线的内径为D,超声波行走的路径长度为L,2个换能器在管线方向上的间距为X,超声波顺流传播的时间为tu,逆流传播的时间为td,超声波传播方向与流体流动方向的夹角为θ,则td、tu、△t可用下式表示:

　　式中　c为超声波在非流动介质中的声速;V为流体介质的流动速度。

　　为了简化,假设流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即:

　　则式(2)可简化为

　　即流体的流速为:

　　由此可见,流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。测出流体的流速,根据测量处流体的截面积就可以算出流过测量断面的流量。

　　1.2　多声道超声波流量计原理

　　多声道超声波流量计测流原理与单声道超声波流量计基本相同,只是测流时在流量的断面上布设了多个传感器。通过精确地测量各声道上超声波沿水流顺向及逆向传播的时差,用加权积分的方法计算出流量,其原理如图2所示。由于大口径管道内各点的流速是不同的,如果用1个点的流速计算流量,误差往往很大。应用多声道超声波流量计就解决了这一难题,并大大地提高了流量的测量精确。

　　图中,管道内径为D, 2换能器间的超声传播距离为L,超声传播方向与轴线之间的夹角为θ,超声波流量计测量超声脉冲沿若干倾斜声路穿过运动流体的传播时间并据此导出各声路上的平均流体速度。声路的数目与安装位置以及用来计算流量的数学公式取决于过流道的形状、大小及所需的测量精度。在大多数情况下,不需要通过与其它测流方法的对比来校准。在实际应用中,通常采用多声道的方法来消除流速分布不均匀的影响。