超聲波流量計(jì)的基本原理

超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理就是通過發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波以一定的方式穿過流動(dòng)的流體，超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，就載上了流體流速的信息。當(dāng)接收換能器接收到超聲波時(shí)就可以檢測(cè)出流體流速信息的電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理反映出流體的流速。

由此可知，超聲波流量計(jì)測(cè)量原理是通過測(cè)量流體的流速來換算成流體的質(zhì)量流量Qm，其關(guān)系式為：

Qm=AρV

式中，流通截面A取決于管道工況和管道狀況，密度ρ取決于流體介質(zhì)及工況，一般都能精確地測(cè)量到。所以測(cè)量流體的流速V，就是超聲波流量計(jì)進(jìn)行流量測(cè)量的目的。

超聲波流量計(jì)常用的換能器是壓電換能器，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適當(dāng)?shù)陌l(fā)射電路，把電能加到發(fā)射換能器的壓電晶片上，使其產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，并以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電晶片變成電能，以便檢測(cè)。發(fā)射換能器利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則利用壓電效應(yīng)。壓電晶片為圓形薄片，其直徑超過厚度的10倍以保證沿厚度方向振動(dòng)。壓電晶體元件裝人換能器（生產(chǎn)廠家一般叫探頭）中的聲楔中，聲楔起固定壓電晶體片的作用，以40°左右角度使超聲波射入到流體中。聲楔材料一般為有機(jī)玻璃、橡膠、塑料或膠木，以強(qiáng)度高、耐老化、而且要求超聲波透過聲楔后能量損失小，希望透視系數(shù)盡量接近1為好。

夾裝式換能器超聲波流量計(jì)除了做流速分布修正外，必要時(shí)還要做聲道角變化影響的修正。聲道角Q不但受流體聲速影響，還與聲楔和管壁材料中的聲速有關(guān)。然而，因?yàn)橐话愎腆w材料的聲速變化比液體聲速溫度變化小一個(gè)數(shù)量級(jí)，在溫度變化不大的條件下對(duì)測(cè)量精確度的影響可以忽略不計(jì)。但是在溫度變化范圍大的情況下，就必須對(duì)聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進(jìn)行修正。另外多聲道儀表常采用高斯積分法或其他積分法計(jì)算流里。

超聲波流量計(jì)的電子電路包括發(fā)射、接收電路和信號(hào)處理電路。超聲波流量計(jì)對(duì)信號(hào)的發(fā)生、傳播及檢測(cè)有各種不同的設(shè)置方法，構(gòu)成了依賴不同原理的超聲波流量計(jì)。如傳播速度差法 (包括時(shí)差法、相位差法、頻差法）、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法、空間濾波法、流速—液面法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計(jì)。

基于不同原理，適用于不同場(chǎng)合的各種形式的超聲波流量計(jì)已相繼出現(xiàn)，從測(cè)量精度和使用最多的超聲波流量計(jì)要數(shù)傳播速度法中的頻差法和多普勒效應(yīng)法。這里就以使用最多的頻差法和多普勒效應(yīng)法加以介紹。

傳播速度差法

超聲波在流動(dòng)的流體中，順流傳播的時(shí)間與逆流傳播的時(shí)間就像順?biāo)写c逆水行船一樣，存在快慢時(shí)間之差。這個(gè)時(shí)間之差與被測(cè)流體的流速有關(guān)，求流速的方法，按測(cè)量物理量的不同，傳播速度差法分為時(shí)差法、相位差法和頻差法三種。

(1) 時(shí)差法

時(shí)差法是利用超聲波在流體中傳播時(shí)，因流體流動(dòng)方向不同而傳播速度不同的特點(diǎn)，測(cè)量它的順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間的差值從而計(jì)算流體流動(dòng)的速度和流量或?qū)⒘黧w流動(dòng)時(shí)和靜止時(shí)超聲波在流體中傳播的情況進(jìn)行比較，由于流速不同同樣會(huì)使超聲波的傳播速度發(fā)生變化，產(chǎn)生時(shí)間差，同理計(jì)算出流體流動(dòng)的速度和流量，此方法多用于大口徑超聲波的測(cè)量。

(2) 相位差法

相位差法是利用時(shí)差法中的超聲波的相位差與時(shí)間差的關(guān)系，通過測(cè)量順流和逆流兩個(gè)方向接收波的相位差實(shí)現(xiàn)流體的流速測(cè)量，其關(guān)系式為：

△φ= 2πf△t

式中△φ——測(cè)量順、逆兩個(gè)方向接收波的相位差；

f——超聲波的發(fā)射頻率；

△t——順流和逆流情況下超聲波傳播時(shí)間差。

(3) 頻差法

頻差法是在時(shí)差法和相位差法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它們與流速成正比的常數(shù)都與聲速有關(guān)，而聲速隨著溫度而變化，因而被測(cè)流體溫度變化就會(huì)帶來測(cè)量誤差。而頻差法則是由測(cè)量順流一組和逆流另一組發(fā)射一接收超聲波的閉路循環(huán)系統(tǒng)，通過接收到的超聲脈沖的循環(huán)頻率差來反映流量的大小，其比例常數(shù)和聲速無關(guān)。

順流循環(huán)脈沖頻率           f順=（C+v）/L

逆流循環(huán)脈沖頻率           f逆=（C-v）/L

而順流、逆流循環(huán)脈沖頻率差      △f=2v/L

則流速                 v=△f*L/2

因此可通過測(cè)量一定時(shí)間內(nèi)兩組閉路循環(huán)系統(tǒng)中的循環(huán)頻率之差來測(cè)得流速。

頻差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，精度較高，所以已在工業(yè)流量測(cè)量中廣泛應(yīng)用。

(4) 多普勒法

多普勒超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理是利用聲波的多普勒效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。超聲波發(fā)生器作為一固定聲源，隨著流體以同速度運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與聲源相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該固體顆?？砂讶肷涞某暡ǚ瓷浠亟邮掌?。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移，由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以通過測(cè)量頻率差就可以求得流速，進(jìn)而可以得到流體流量。

當(dāng)多普勒超聲波流量計(jì)的發(fā)射換能器以Q角度向流體發(fā)射頻率為f1的連續(xù)聲波時(shí)，流體中的懸浮顆粒將聲波反射到接收換能器，因?yàn)閼腋☆w粒的運(yùn)動(dòng)，所以反射的超聲波將產(chǎn)生多普勒頻移△f，如果頻移后接收換能器收到的超聲波頻率為f2，超聲波在流體中速度為c，懸浮顆粒與流體速度相同都為v，則多普勒頻移為：

△f=2vf1cosQ/c

通過測(cè)量△f就可得到流速：

v=c△f/2f1cosQ

多普勒法超聲波流量計(jì)可測(cè)量雙向介質(zhì)的流量，故可用于排污水、含懸浮顆粒、氣泡等流體的測(cè)量。