超聲波測流量的作用原理

　　超聲波在流體中傳播時，受到流體速度的影響而載有流速信息，通過檢測接收到的超聲波信號可以測知流體流速，從而求得流體流量。超聲波測量流速、流量的技術已在工業以及醫療、河流和海洋觀測等領域的計量測試中得到廣泛應用。

　　超聲波測流量的作用原理有傳播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、相關法、流速一液面法等多種方法，這些方法各有特點，在工業應用中以傳播速度法最普遍。

　　（1）傳播速度法的測量原理

　　超聲波在流體中的傳播速度與流體流速有關。傳播速度差法利用超聲波在流體中順流與逆流傳播的速度變化來測量流體流速并進而求得流過管道的流量。其測量原理如圖1所示，根據具體測量參數的不同，又可分為時差法、相差法和頻差法。

　�、贂r差法

　　時差法就是測量超聲波脈沖順流和逆流時傳播的時間差。

圖1　超聲測速原理

　　如圖1所示，在管道上、下游相距L處分別安裝兩對超聲波發射器（T₁、T₂）和接收器（R₁、R₂）。設聲波在靜止流體中的傳播速度為c，流體的流速為μ，則聲波沿順流和逆流的傳播速度將不同。當T₁按順流方向、T₂按逆流方向發射超聲波時，超聲波到達接收器R1和R2所需要的時間t₁和t₂與流速之間的關系為

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�1）

　　由于流體的流速相對聲速而言很小，即c≥u，可忽略，因此時差

　　而流體流速

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�2）

　　當聲速c為常數時，流體流速和時差△t成正比，測得時差即可求出流速，進而求得流量。但是，時差△t非常小，在工業計量中，若流速測量要達到1％精度，則時差測量要達到0.01／μs的精度。這樣不僅對測量電路要求高，而且限制了流速測量的下限。因此，為了提高測量精度，早期采用了檢測靈敏度高的相位差法。

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　　相位差法是把上述時間差轉換為超聲波傳播的相位差來測量。設超聲換能器向流體連續發射形式為s（t）=Asin（ω_t+ψ₀）的超聲波脈沖，式中w為超聲波的角頻率。

　　按順流和逆流方向發射時收到的信號相位分別為和。則在順流和逆流接收的信號之間有相位差

　　式中，f為超聲波振蕩頻率。由此可見，相位差△ψ比時差△t大2πf倍，且在一定范圍內，f越大放大倍數越大，因此相位差△ψ要比時差△t容易測量。將式（8-58）代入上式，則流體的流速

　　　　　　　　　　　　　　�。�3）

　　相差法用測量相位差取代測量微小的時差提高了流速的測量精度。但在時差法和相位差法中，流速測量均與聲速c有關，而聲速是溫度的函數，當被測流體溫度變化時會帶來流速測量誤差，因此為了正確測量流速，均需要進行聲速修正。

　�、垲l差法

　　頻差法是通過測量順流和逆流時超聲脈沖的循環頻率之差來測量流量的。其基本原理可用圖1說明。超聲波發射器向被測流體發射超聲脈沖，接收器收到聲脈沖并將其轉換成電信號，經放大后再用此電信號去觸發發射電路發射下一個聲脈沖，不斷重復，即任一個聲脈沖都是由前一個接收信號脈沖所觸發，形成“聲循環”。脈沖循環的周期主要是由流體中傳播聲脈沖的時間決定的，其倒數稱為聲循環頻率（即重復頻率）。因此可得。順流時脈沖循環頻率和逆流時脈沖循環頻率分別為：

　　順流和逆流時的聲脈沖循環頻差

　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�4）

　　為所以流體流速

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�5）

　　由上式可知流體流速和頻差成正比，式中不含聲速c，因此流速的測量與聲速無關，這是頻差法的顯著優點。循環頻差△f很小，直接測量的誤差大，為了提高測量精度，一般需采用倍頻技術。

　　由于順、逆流兩個聲循環回路在測循環頻率時會相互干擾，工作難以穩定，而且要保持兩個聲循環回路的特性一致也是非常困難的。因此實際應用頻差法測量時，僅用一對換能器按時間交替轉換作為接收器和發射器使用。

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　　時差法、相差法、頻差法測得的流速u是超聲波傳播途徑上的平均流速。它和截面平均流速
是不相同的，因此在確定流量方程時需要知道截面平均流速和測量值u之間的關系，這一關系取決于截面上的流速分布。

　　在層流流動狀態時（Re<2300）可以推導出

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�6）

　　當流動狀態為紊流時，測量值與截面平均流速之間的關系可表示為

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�7）

　　式中k=u／為修正系數，是雷諾數廊的函數，在Re<10⁵時，k=1.119-0.OllgRe；在Re≥10⁵時，。

　　有了測量值與截面平均流速之間的關系以后，即可寫出流體的體積流量方程為

　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�8）

　　式中u用相應的式子代入，即可得到時差法、相差法和頻差法的流量方程。

　　（2）多普勒法測量原理

　　根據多普勒效應，當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發出的頻率。這個頻率的變化與兩者之間的相對速度成正比。超聲多普勒流量計就是基于多普勒效應測量流量的。

　　在超聲多普勒流量測量方法中，超聲波發射器為固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒相當于與聲源有相對運動的觀察者，它的作用是把入射到其上的超聲波反射回接收器。發射聲波與接收器接收到的聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產生的聲波多普勒頻移。這個頻率差正比于流體流速，故測量頻差就可以求得流速，進而得到流體流量。

　　利用多普勒效應測流量的必要條件是：被測流體中存在一定數量的具有反射聲波能力的懸浮顆�；驓馀�。因此，超聲多普勒流量計能用于兩相流的測量，這是其他流量計難以解決的。超聲多普勒法測流量的原理如圖2所示。

圖2　超聲多普學法流量測量原理

　　設入射超聲波與流體運動速度的夾角為θ，流體中懸浮粒子（或氣泡）的運動速度與流體流速相同，均為u。當頻率為f1的入射超聲波遇到粒子時，粒子相對超聲波發射器以ucosθ的速度離去。粒子接收到的超聲波頻率f2應低于f1，其值為

　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�9）

　　由于粒子同樣以ucosθ忽略超聲波入射方向與反射方向的夾角）的速度離開接收器，所以粒子反射給接收器的聲波頻率fs將又一次降低，為

　　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�10）

　　將f2代入上式，可得

　�。�11）

　　由于聲速c遠大于流體的速度u，故上式中的平方項可以略去，由此得

　　　　　　　　　　　　　　　　　�。�12）

　　接收器接收到的反射超聲波頻率與發射超聲波頻率之差，即多普勒頻移△fd為

　　　　　　　　　　　　　　�。�13）

　　因此，由上式可得流體流速u

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （14）

　　由上式可見，流速u與多普勒頻移△fd成正比。

　　式（14）中含有聲速C，而聲速與被測流體的溫度和組分有關。當被測流體溫度和組分變化時會影響流量測量的準確度。因此，在超聲多普勒流量計中一般采用聲楔結構來避免這一影響。

　　（3）超聲流量計的特點與應用

　　超聲流量計由超聲換能器、電子線路及流量顯示系統組成。超聲換能器通常由鋯鈦酸鉛陶瓷等壓電材料制成，通過電致伸縮效應和壓電效應，發射和接收超聲波。流量計的電子線路包括發射、接收電路和控制測量電流，顯示系統可顯示瞬時流量和累積流量。

　　超聲流量計的換能器大致有夾裝型、插入型和管道型三種結構形式。換能器在管道上的配置方式如圖3所示，Z式是最常見的方式，即單聲道，裝置簡單，適用于有足夠長的直管段，流速分布為管道軸對稱的場合；V式適用于流速不對稱的流動流體的測量；當安裝距離受到限制時，可采用X式。換能器一般均交替轉換作為發射和接收器使用。

　　超聲流量計測量時，超聲換能器可以置于管道外，不與流體直接接觸，不破壞流體的流場，沒有壓力損失。其可用于各種液體的流量測量，包括測量腐蝕性液體、高粘度液體和非導電液體的流量，尤其適于測量大口徑管道的水流量或各種水渠、河流、海水的流速和流量，在醫學上還用于測量血液流量等。

（a）Z式　　　　　　　　　�。╞）V式　　　　　　　　�。╟）X式

圖3　超聲換能器在管道上的配置方式

　　和其他流量計一樣，超聲流量計前需要一定長度的直管段。一般直管段長度在上游側需要10D以上，而在下游側則需要5D左右。