超声波液压系统流量和压力统一测量研究

　　1 引言

　　目前对系统液体压力的测量可分为接触式和非接触式两种方法。接触式测压方法的发展经历了机械式、数字式和智能式3个阶段，对于液压系统的压力测试仪表来说，目前使用广泛的有机械式检测、电气式检测、电阻式检测等。面对大量使用的液体压力测量仪表，虽然在不断地改进，但有一根本点却一直没有得到改变，那就是所有的测量都是接触式测量，即压力敏感元件必须与被测介质接触，以便直接反映压力。压力测试仪表用于液压系统的定量监测与故障诊断时，就需要配合接头插入压力管道中才能实施检测。但是，在设计制造液压系统时不可能在系统的各个元件之间或临时需要检查的部位都安装此类仪表或传感器，同时还有大量正在应用着的液压设备没有或只有某一部位有这类仪表，需检查这些设备的另一些部位的液体压力，特别是在设备运行状态下检查时，需临时插接仪表是十分困难的，甚至是不可能的。因此，研究一种非接触式的测压方法是液压测量仪表今后的发展方向，前景深远[1]。

　　本文介绍的方法是在管道外壁夹装超声波换能器，利用超声波进行管内压力测量。此方法可实现管道压力的无损测量，具有不破坏流体流场，无压力损失，测量能力强等优点，而且可制作成便携式设备。

　　2 系统检测原理

　　2.1 时差法超声波流量计工作原理^[2]

　　时差法超声波流量计工作原理如图1所示。

　　图1 时差法超声波流量测量原理示意图(参见右栏)

　　图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为d，超声在液体中行走的路径长度为L，超声波顺流时间为tu，逆流时间为td，超声波在管壁中行走的时间为tg，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为 。由于流体流动的原因，超声波顺流传播所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下

　　其中：c是超声波在非流动介质中的声速，v是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：

　　为了简化，我们假设流体流速和超声波在介质中的速度相比是个小量，即：v<<c知(v/c)²近似为0，

　　α(利用折射率公式求出)为超声波在管材中的折射角, 为超声波在流体中的折射角,c1为超声波在管材中的速度。可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。

　　2.2 较成熟的超声波液压测量的方法原理[3]:

　　式中：c0为常温一个大气压下液体中声速;p为液体压力;k为比例系数。