超声波流量计及其在测量中应注意的几个问题

　　近年来，随着工业及电子技术的发展，超声波实用技术得到了迅猛的发展，超声波流量计即是非常成功的一例。如今，超声波流量计已经被广泛应用于各种流体的测量，在测量工作中起着非常重要的作用。本文就传播速度差法超声波流量计原理及其在测量中应注意的实际问题作一介绍。

　　1 3个基本假定

　　传播速度差法超声波流量计测量的流速只是管路某一个直径方向上的平均流速，该测量值是线平均，不是一般要求的面平均。因此，该测量值与实际流量值之间存在一定的误差，但一般地说，如果流速分布的变化不大，测量精度的影响大约在 1%以下。基于此，在根据几何声学原理推导超声波流量计基本方程时，应遵循 3 个基本假定：

　　(1) 管道内流体质点各点流速沿横截面均匀分布，并认为等于平均流速;

　　(2)不考虑超声波射线在流动媒质中传播时的曲线轨迹和传播方向的改变;

　　(3) 忽略声导折射面上的曲率，并认为管道内壁光滑。

　　2 流量计原理

　　超声波流量计是在管路的外侧壁上下游相向地安装一对能发射和接收超声波的探头，即超声波发生器和接收器，并使每个探头能接收另一个探头发出的波信号，如图 1 所示。

　　根据运动学原理，利用流体传播超声的特性，声波向上游传播时速度为:

　　C-Vcos ;

　　时间为: t1=D/(C-Vcos );

　　声波向下游传播时速度为: C+Vcos ;

　　时间为: t2=D/(C+Vcos );

　　传播的时间差值为： T，即速度差:

　　T= t1- t2= D/(C-Vcos )- D/(C+Vcos )

　　由于液体流速 V 在每秒数米以下，而流体中声速 C 约 1500m/s，C2>>V2，

　　所以：

　　T=2VDcos /C2

　　即：

　　式中：

　　C 为静止流体中的声速，m/s;

　　V 为流体速度;

　　D 为探头之间的距离，m;

　　为速度矢量和探头取向间所形成的角度。

　　从式(1)可以看出，从发生器发出的超声波传到接收器的速度变化与管路内的流体流速成正比。据此把管道参数置入仪器，采集数据经变换器变换即得到瞬时流量，并得累计流量。

　　瞬时流量为：

　　3安装方式

　　(1)直接透过法，又称 Z 法，主要适用于流体以管轴为对称轴沿管轴平行流动的情形，如图 2 所示。

　　(2) 反射法，又称 V 法，主要适用于流体方向与管轴不平行，存在着沿半径方向流动的速度分量时的情形。设该速度分量为 W，超声波射线传播方向与管轴成 角，于是在超声波的传播方向上便产生Wsin 的分量。若按 V 法安装传感器，此分量便可以相互抵消，如图 3 所示。