新型高精度超声波流量计的设计

　　1　引　言

　　1.1　超声波流量计原理

　　超声波测量流体流量是超声技术在工业测量方面发展较早的应用之一。由于超声波流量计具有非接触,不受流体物理性质与化学性质影响等优点,其应用范围正在不断地扩大。

　　传播时间式超声波流量计是利用超声波速度在流动媒质中的变化量求出媒质的流速。以下我们将重点对反射式时间差法超声波流量计的原理[1~4]进行一下介绍。

　　如图1所示,在流体媒质内两个超声波发射器A和B均与管壁成θ度夹角,图中v是媒质流速,c是无流速时超声波声速。A发射后经反射由B接收,称为顺流发射,反之称为逆流发射。被测媒质以速度v流动时,顺、逆流超声波速度分别为v1和v2,v1,2=c±v×cosθ。设图1中管径为D,媒质流速为v, A、B间声程为L,则顺、逆流的超声波脉冲传播时间t1和t2为:

　　若已知D、θ和c,测得t1与t2中任一值便可计算出媒质的流速v,但是声速c受被测媒质种类、密度、压力、温度等因素影响很大[5],这样对测量声速c的要求很高,故一般不采用这种方法,而采用分别测出顺、逆流传播时间t1和t2的方法,由式(1)得:

　　这样在测出流速v的同时,也测出了声速c。这一对超声换能器交替发射和接收的工作方式称为单通道切换方式。

　　1.2　超声波流量计的流体力学修正

　　以上讨论的超声波流量计在导出其相应的流量计方程时,都是把流速v看作是沿管道截面平均分布的面平均流速,而事实上超声流量计所实测的流速却为超声射线上的平均流速(即线平均流速)。根据流体力学的半经验公式[1],对于光滑圆管,线平均流速-v与面平均流速-v之关系为:

　　这样,根据流体的雷诺数Re就可以确定修正系数k值,k和Re的关系见表1。

　　表1说明,在雷诺数从5×103~1×107变化的范围内,超声射线所在平面的线平均流速v与面平均流速-v的差值将在4%~8%之间变化,这种测量误差必须进行修正。

　　2　新型高精度超声波流量计的设计

　　2.1　传统超声波流量计存在的问题

　　如图2所示,无流速时声波在媒质中的传播速度为c、媒质的流速为v时,由A点发出的超声波脉冲信号传播的速度将是声速c与流速v的矢量合成,合成后的速度c1与管道轴向夹角由θ变为θ1,媒质无流速时的声波反射点为E,反射后到达B点,而媒质流速为v时,反射点将由E点移至E1点,接收点也从B点移至B1点。在流速v不太大时,θ≈θ1,B、E两点基本上与B1和E1重合。但随着的v不断增大(一般≥10m/s),B1将越来越偏离B点,使接收到的声脉冲信号的幅度明显减弱。这使得声速与管道轴向有一定夹角的超声波流量计所测的流速上限受到限制。实际上,在流速较大时,声程是弯曲的[6],工程上经常将其近似成图2所示的情况。因而传统超声波流量计很多采用声束轴向的设计,即超声脉冲传播的方向沿着管道中轴所在的方向,这样解决了流速大时声束偏离的问题,如图3所示。