超声波气体流量计作为结算表的探讨

　　0 引 言

　　近年来, 基于高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展, 基于新型探头材料与工艺的研究以及声道配置与流量动力学的研究, 超声流量测量技术取得了长足进展, 显示了强劲的技术优势, 发展势头迅猛。在巴西召开的国际流量测量学术会议上共宣读学术论文103篇, 其中直接涉及超声波流量计及超声波技术的论文20篇, 约占论文总数的1/5。在历次国际流量学术会议上, 采用超声波流量计作为传递标准的文献愈来愈多, 可见超声波流量计其潜在的巨大的生命力。

　　1 超声波流量计的基本原理

　　超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。相对于固定座标系(如管壁), 顺流的超声波的传播速度将大于逆流的传播速度。为实现流量( 流速) 测量, 首先需要有一个发射超声波的换能器( 俗称超声波探头), 通常采用石英等材料制成的压电元件作为换能器。发射超声波时是利用负压电效应, 即利用高频电脉冲的作用, 使压电晶体高频振动, 从而发出脉冲变化的高频压力波(即超声波)。超声波以某一角度射入流体中传播, 然后由装在管道对面的接收换能器接受。接受换能器则利用正压电效应, 将高频压力波又转换高频的电脉冲信号。

　　管外夹式时差式液体超声波流量计利用测量超声波在管道中传播时间原理而实现的( 见图1)。介质( 液体)在管道中流速, 与超声波沿介质顺流和逆流传播的时间差存在着线性关系。只要分别测量出超声波顺流、逆流的传播时间, 就可以依据线性关系得到沿管道路径上各点流速的瞬时平均流速。这样, 介质流量则可以通过流速、管道截面积以及雷诺数等得到。当超声波束在液体中传播时, 流体的流动将使传播时间产生微小变化, 并且其传播时间的变化正比于液体的流速, 由此可求出液体的流速。如图1所示: 在待测流量管道外表面上, 按一定相对位置安装一对超声探头。安装方式分为“Z”法和“V”法。一个探头受电脉冲激励产生的超声脉冲, 经管壁—流体—管壁为第二探头所接收。从发至收超声脉冲传播时间, 依其顺逆流向分别表示为: (忽略声波在声楔, 管壁及处理电路中的时延 t)

　　根据(1)~(8) 式,可得出流体沿直径方向上的平均流速:

　　流量

　　瞬时流量: 单位时间流过流体管道横截面的流体流量, 常用单位m³/h。

　　累计流量: 在一段时间内流过管道横截面的流体流量(积分流量)常用单位: m³。

　　式中: L为声程; M为声束在液体中的传播次数; D为管道内径; θ为超声波束入射角; C0为静止时流体声速; V为管内流体沿管轴向的平均流速; TUP为声束在正方向上的传播时间; TDOWN为声束在逆方向上的传播时间;△T为声束在正逆两个方向上的传播时间差。