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時(shí)差法超聲波流量計的設計原理
來(lái)源：www.aidifei.com 作者：youwang 日期：2014-9-17 11:40:54 瀏覽次數：1110
超聲波用于氣體和流體的流速測量有許多優(yōu)點(diǎn)。和傳統的機械式流量?jì)x表、電磁式流量?jì)x表相比它的計量精度高、對管徑的適應性強、非接觸流體、使用方便、易于數字化管理等等。近年來(lái)，由于電子技術(shù)的發(fā)展，電子元氣件的成本大幅度下降，使得超聲波流量?jì)x表的制造成本大大降低，超聲波流量計也開(kāi)始普及起來(lái)。經(jīng)常有讀者回詢(xún)問(wèn)有關(guān)超聲波流量測量方面的問(wèn)題。作為普及，我們將陸續撰寫(xiě)一些專(zhuān)題文章，來(lái)介紹一些相關(guān)知識，以便推廣和普及超聲波流量技術(shù)的普及和提高。本文主要介紹目前最為常用的測量方法：時(shí)差法超聲波流量計的原理和設計。
2 時(shí)差法超聲波流量計的原理
時(shí)差法超聲波流量計（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如圖1所示渦街流量計。他是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)觀(guān)測超聲波在介質(zhì)中的順溜和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測量流體的流速，在通過(guò)流速來(lái)計算流量的一種間接測量方法。
圖1中有兩個(gè)超聲波換能器：順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線(xiàn)的兩側并相距一定距離，管線(xiàn)的內直徑為D，超聲波行走的路徑長(cháng)度為L(cháng),超聲波順流速度為tu,逆流速度為td,超聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向加角為θ。由于流體流動(dòng)的原因，是超聲波順流傳播L長(cháng)度的距離所用的時(shí)間比逆流傳播所用的時(shí)間短，其時(shí)間差可用下式表示：
其中：c是超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速，V是流體介質(zhì)的流動(dòng)速度，tu和td之間的差為：
式中X是兩個(gè)換能器在管線(xiàn)方向上的間距。
為了簡(jiǎn)化，我們假設，流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個(gè)小量。即：
3 時(shí)差法超聲波流量計的設計
圖2是我們設計的超聲波流量計的原理框圖。圖中主要有兩個(gè)超聲波發(fā)射單元、一個(gè)時(shí)間測量單元和一個(gè)控制器。他們共同來(lái)完成超聲波的發(fā)射、接受和時(shí)間差的測量等工作。其他的外圍單元主要是為了測量?jì)x表的參數設定、測量數據的輸出、顯示和傳送等功能，可參考相關(guān)資料，這里不作介紹。
4 結語(yǔ)
時(shí)差法超聲波流量計的換能器安裝方式可以有多種。常見(jiàn)的有外加式和管段式，也有介入式，比如家用煤氣表一般可采用介入式。無(wú)論何種安裝方式其原理大同小異。比如介入式就是取上面公式中的θ=0。
超聲波波用于流體的測量還有其他幾種基于不同原理的測量方法：多卜勒頻移法、相位差法和相關(guān)法等等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據不同的使用條件和計量精度等因素加以選取自動(dòng)化儀表。
隨著(zhù)電子技術(shù)的迅速發(fā)展、超聲波技術(shù)的普及以及產(chǎn)品成本的降低和可靠性的提高，我們相信，超聲波流量?jì)x表將成為流體計量中最為普遍采用的手段。
