超声波流量测量技术及发展

0引言

流量测量仪器仪表及测试技术近年来有了飞速的发展，不但测试仪表的种类增多，而且还对一些传统的测试方法进行了改进和提高.因为流量测量与明显的经济效益相联系，所以世界各国都十分重视流量测量和测试技术的发展，不惜大量投资建立流量测量标准并研究新的测试技术及装置，国际上召开的流量专业学术研讨会也日益频繁.

1超声波流量测量简介

超声波流量计和电磁流量计已有三、四十年的历史，最近几年有了不少改进，特别是超声波流量计采用新的电子技术、信息处理技术和微处理器的应用提高了仪器性能，降低了成本，增强了产品的竞争力.

超声波流量计使用超声波传感器(也称换能器，一般是精密的压电晶体探头)，声信号透过流体管壁和流体传播，由于包括所有金属、橡胶和玻璃管以及一些由合成玻璃管和水泥等均一陕材料构成的绝大多数管子和它们的护面如水泥、煤焦油、塘瓷及环氧树脂都是导声的，因此超声波信号的获取是比较容易的.管子的塑料橡胶衬垫等只要他们紧粘着管子的内表面且衬面与管壁间无间隙，也不会对信号造成障碍.

超声传感器夹或固定在流体管道的外面，在安装和维护时不需切断流量.采用夹装式的超声波流量计测量技术的一个最显著的特点在于便携性，非常适合于流量巡检，另外超声波流量计与其他类型流量计相比，还有很多优点:它可以实现非接触流量测量，对测量管道来说，无须插入零件，没有流体附加的阻力，不受流体介质的粘度、导电性及腐蚀性的影响，无论采用何种测量方法，均为线性输出特性，易于实现数字化输出及流量的积算.传统的超声波流量计主要缺点是精度较低(士1%)，另外温度对声速影响较大，故一般不适于温度波动大、介质物理性质变化大的流体测量，也不适于小流速小管径的流量测量，因为这时将增加相对误差.

2超声波流量计的测量方法

超声波流量计的主要测量方法有多普勒效应法和时差法·

2.1多普勒效应法

超声波多谱勒流量计使用两个换能器，一个传感器总是用来发射，另一个总是用来接收.探头紧贴流体管外发射的超声波可以穿透致密的管壁散播在流体介质中，当遇到介质中随波逐流的悬浮物、固体颗粒、汽泡，甚至非稳状态的漩涡、扰乱等，均会产生偏离发射频率的反射波，这种频率变化称为多普勒效应，它与反射物的运动流速成正比.另一探头接收到各点的反射波，经过复杂的信号处理、动态频谱分析和精度计算，就可得出管截面内流体的流速，如图1.由于采用了多普勒效应，被测流体管道中唯一可以改变反射波频率的只有流体中反射物的运动速率，所以测量装置及流量计基本不受管道材料、管径、流体成分和浓度变化、温度和压力的影响，可实现高度的稳定性和重复性.