基于超声波多普勒法的混凝土泵排量计量方法研究

　　引言

　　混凝土的搅拌和泵送通常是在相距较远的两地进行,搅拌、运输和施工用户方也常为3个不同的单位。混凝土泵实时排量的计量可以给施工双方或三方的 业务结算带来方便。此外,泵(车)运行状态监测、施工管理和施工质量、泵车质量的评价方面也存在着对排量计量系统的需求。混凝土泵实时排量的计量技术已成 为一项亟待解决的工程实际应用技术问题。

　　除大量与泵有关的相关资料外,国外有关混凝土泵排量计量方法的研究鲜有报道,国内的研究结果也不多见,现有的计量方法包括:

　　(1)基于开关传感器的计量方法。采用开关传感器记录泵送冲程次数,乘以每个冲程的理论排量和根据经验设定的泵送效率系数对混凝土泵排量的计量;

　　(2)基于主液压泵排油量的计量方法。通过测量主液压泵的排油量与分配阀的换向时间,根据主液压泵的容积效率确定混凝土泵每小时的额定泵送冲程次数,乘以每个泵送冲程的理论排出量和根据经验设定的混凝土缸容积效率,计算混凝土泵排量;

　　(3)基于实测吸入容积效率的计量方法。通过实测混凝土缸吸入容积效率计算平均吸入容积效率,测量混凝土缸活塞在最大行程时每分钟的冲程数,根 据平均吸入容积效率对混凝土泵排量进行计量。由于是将检测元件置于管壁外而不与流体直接接触,不会破坏流体的流场,没有压力损失,是一种很有发展前途的流 量测量方法。

　　超声波多普勒法流量测量原理是根据物理学中的声音的多普勒效应。本文提出一种基于超声波多普勒法的混凝土泵排量计量方法,并对影响测量准确度的因素进行分析。

　　1　超声波多普勒法计量原理

　　超声波多普勒法测量流量的基本工作原理:把发射的超声波入射到流动的流体中,被随流体一起运动的颗粒反射到接收器,接收到的反射声波与发射声波之间产生频率差(多普勒频移),该频率差正比于流体的流速,因而测出频率差即可求得被测流体的流速和流量,如图1a所示。

　　图1a中,A、B为对称安装在输送管道的超声波传感器,其中传感器A作为发射器,传感器B作为接收器。管道中流体以速度υ从左向右流动,θ为超 声波的入射角。发射器A向流体发射出频率为fS的连续声波,受到悬浮在流体中随流体移动的粒子或气泡的反射时,使接收换能器B收到的反射信号产生多普勒频 移。设收到的超声波信号的频率为fR,超声波在流体中的传播速度为c,则fS与fR的关系可用下式表示:

　　由于超声波在混凝土中的传播速度c非常大(约为3650~4900 m/s)[12],而泵送混凝土在输送管道内流动速度约为5·6 m/s[4],因此可将上式写为: