多声道超声多普勒流量计

　　1　前言

　　超声多普勒流量计是利用声波在流体中传播的多普勒效应研制成的流量测试装置。该装置安装于被测管道的外侧,不接触被测流体,不干扰流体的流动,无压力损失,维修方便,特别适用于有毒、有害、有腐蚀性和带有磨料的液体。该装置分辨率高,对流速变化响应快,对流体的压力、粘度、温度、密度及导电率等因素不敏感,没有零点飘移问题。因此,该类仪表在流量测量、企业管理及流量监测与控制中具有广阔的应用前景。目前,超声多普勒流量计仍处在不断完善的过程中,尽管国内外已经出现了一些不同形式的多普勒流量计。但由于流体所含悬浮固体颗粒的浓度、粒径大小、性质、粒子的分布及流速分布等因素的影响,使其测量精度受到一定的限制。本文在分析影响多普勒流量计测试精度的主要原因的基础上,介绍了多声道流量计的设计思想及仪表的具体结构。

　　2　流量测量方程式

　　当信号源发射的超声波信号被一个与之存在相对运动的物体反射时,反射信号与发射信号的频率出现差异,这种现象称为多普勒效应。如图2—1所示,当超声波多普勒流量计的发射换能器以一定的角度θ向流体发射频率为f1的连续超声波时,流体中的悬浮颗粒或气泡将声波反射到接受换能器,因为悬浮颗粒或气泡随着流体在流动,故反射的超声波将产生多普勒频移。设收到的超声波频率为f2,超声波在被测流体中的传播速度为c,颗粒或气泡随流体以速度u运动,超声波束与流体流向之间夹角为θ,则f1和f2的关系如下:

　　一般情况下c>>u,经简化运算[1]可得

　　故多普勒频移为

　　流体的流速为

　　设被测管道的横截面积为s,则该管道的容积流量Q为

　　该式表明,当f1、θ和c恒定时,流体的流量正比于多普勒频移Δf,测量出Δf的值,即可求得流体的流量。

　　实际上,由于超声波在流体中传播的速度c受温度的影响较大,因此在式(2-4)中难以保证c为恒定值。为减小测量误差,可以选择适当的固体材料作为声楔,使超声波先通过声楔再进入流体中。设超声波在声楔材料中传播的速度为c1,由声楔进入流体的入射角为β,经流体折射,在流体中的折射角为φ,根据Snall定律有

　　将式(2-5)代入式(2-4)可得

　　由此可见,采用声楔后,在流量的计算公式中,流体中声速c由声楔材料中声速c1所代替。而声楔是固体材料,其中声速c1随温度的变化比液体中声速c随温度的变化小一个数量级,在常温下,由c1随温度变化而引起的测量误差可以忽略不计,因此采用适当的材料作声楔可以有效地减小温度对测量精度的影响。