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新聞詳情
超聲波多普勒流量計測量原理
來(lái)源：www.aidifei.com 作者：youwang 日期：2017-1-25 12:13:52 瀏覽次數：836
1．基本工作原理 超聲波多普勒流量計的測量原別是以物理學(xué)中的多普勒效應為基礎的。根據聲學(xué)多普勒效應，當聲源和觀(guān)察者之間有相對運動(dòng)時(shí)，觀(guān)察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個(gè)因相對運動(dòng)而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比．
在超聲波多普勒流量測量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運動(dòng)的固體顆粒起了與聲源有相對運動(dòng)的“觀(guān)察者”的作用，當然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收據．發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動(dòng)而產(chǎn)少的聲波多普勒頻移．由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速．進(jìn)而可以得到流體的流量．
因此，超聲波多普勒流量測量的一個(gè)必要的條件是：被測流體介質(zhì)應是含有一定數量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質(zhì)．這個(gè)工作條件實(shí)際上也是它的一大優(yōu)點(diǎn)，即這種流量測量方法適宜于對兩相流的測量，這是其它流量計難以解決的問(wèn)題．因此，作為一種極有前途的兩相流測量方法和流量計，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應用．
2．流量方程
假設，超聲波波束與流體運動(dòng)速度的夾角為 ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運動(dòng)速度與流體流速相同，均為u．現以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導出聲波多普勒頻差與流速的關(guān)系式．
如圖3—39所示，當超聲波束在管軸線(xiàn)上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營(yíng)軸線(xiàn)運動(dòng)．對超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u cos a的速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應低于發(fā)射的超聲波頻率f1，降低的數值為
f2－f1＝－(ucosα/c)f1
即粒子收到的超聲波頻率為f2＝f1－(ucosα/c)f1
式中 f1――發(fā)射超聲波的頻率；a――超聲波束與管軸線(xiàn)夾角；
c――流體中聲速。
固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以u cos a 的速度離開(kāi)接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低，類(lèi)似于f2的計算，f3可表示為
f3＝f2－(ucosα/c)f2
將f2的表達式代入上式，可得：f3＝f1（1－(ucosα/c))2
＝f1（1－2(ucosα/c)＋(u2cos2α/c2))
f3＝f1（1－2(ucosα/c))
接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之差，即多普勒頻移Δf1，可由下式計算：Δf＝f1－f3＝f1－f1（1－2(ucosα/c))＝f1(2ucosα/c)
由上式可得流體速度為u＝(c/2f1cosα)f
體積流量qv可以寫(xiě)成：qv＝uA＝(Ac/2f1cosα)Δf
式中，A為被測管道流通截面積．出以上流量方程可知，當流量計、管道條件及被測介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測量頻移Δff就可以得到流體流量qv。
5．關(guān)于流量方程的幾點(diǎn)討論
(1)流體介質(zhì)溫度對測量的影響
由流量方程可見(jiàn)，流雖測量結果受流體中的聲速c的影響．一般來(lái)說(shuō)，流體中聲速與介質(zhì)的溫度、組分等有關(guān)，很難保持為常數．為了避免測量結果受介質(zhì)溫度、組分變化的影響，超聲波多普勒流量計一般采用管外聲楔結構，使超聲波束先通過(guò)聲楔及管壁再進(jìn)入流體。設聲楔材料中的聲速為c1；流體中聲速為c；聲波由聲楔進(jìn)入流體的入射角為；在流體中的折射角為；超聲波束與流體流速夾角為a；見(jiàn)圖1所示，根據折射定理，有：
代入流量關(guān)系式，可得：
由此式可見(jiàn)，采用聲楔結構以后，流量與頻移關(guān)系式中僅含有聲楔材料中的聲速c1而與流體介質(zhì)中的聲速c無(wú)關(guān)．而聲速c1溫度變化要比流體中聲速c隨溫度變化小一個(gè)數量極，且與流體組分無(wú)關(guān)．所以，采用適當材料制造聲楔，可以大幅度提高流量測量的準確度。
圖1 聲楔與聲波的折射
為有效地接收多普勒頻移信號，超聲波多普勒流量計的換能器通常采用收發(fā)一體結構，見(jiàn)圖3—41所示．由圖中可見(jiàn)，換能器接收到的反射信號只能是發(fā)射晶片和接收晶片的兩個(gè)指向性波束重疊區域內的粒子的反射波，這個(gè)重疊區域稱(chēng)為多普勒信號的信息窗。
圖2 多普勒信息窗
式中Δf——信息窗內所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；
ΣNi——產(chǎn)生多普勒頻移Δfi的粒子數；
Δfi－一任一個(gè)懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移．
從上述討論可知，該流量計測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區域內的流體速度，所以要求信息窗應位于管內接近平均流速的區域上，才能使其測量值能反映管內流體的
平均流速．但是管內平均流速區域的位置是一與雷諾救有關(guān)的函數，當管內流動(dòng)的雷諾數Re發(fā)生變化時(shí)，其平均流速區域位置也將改變．而一旦流量計安裝完畢，其多普勒信息窗位置就固定了，為使測得的多普勒頻移信號Δf能在不同雷諾數Re條件下均能正確地反映流量值，在流量計算公式中引入流速修正系數K．流速修正系數K是雷諾數Re和信息窗位置的函數，用它來(lái)對因上述原因引起的測量誤差進(jìn)行修正．因此，超聲波多普勒流量計的實(shí)際流量計算式可以寫(xiě)成：
式中，符號意義同前
