超聲波流量計(jì)的測(cè)流原理介紹

當(dāng)隨流體以速度v運(yùn)動(dòng)的顆粒流向聲波發(fā)生器時(shí)，顆粒接收到的聲波頻率f1為：

因此，聲波接收器和發(fā)生器間的多普勒頻移Δf為：

以上各式中：θ為聲波方向與流體流速v之間的夾角，f0為聲源的初始聲波頻率，c為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若c>>vcosθ則

式(11)、(12)是按單個(gè)顆粒考慮時(shí)，測(cè)得的流體流速和流量。但對(duì)于實(shí)際含有大量粒群的水流，則應(yīng)對(duì)所有頻移信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。超聲波多普勒流量計(jì)的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。換能器接收到的反射信號(hào)只能是發(fā)生器和接收器的兩個(gè)指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)顆粒的反射波，這個(gè)重疊區(qū)域稱為多普勒信號(hào)的信息窗。換能器所收到的信號(hào)就是由信息窗中所有流動(dòng)懸浮顆粒的反射波的疊加，即信息窗內(nèi)多普勒頻移為反射波疊加的平均值。

平均多普勒頻移Δ-f可以表示為：

式中Δ-f——信息窗內(nèi)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(shù)；
Δfi——任一個(gè)懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移。

由上可知，該流量計(jì)測(cè)得的多普勒頻移信號(hào)僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，因此要求信息窗應(yīng)位于管渠內(nèi)接近平均流速的部位，才能使其測(cè)量值反映管渠內(nèi)流體的平均流速。

圖4多普勒信息窗示意圖

3超聲波流量計(jì)的分類

3.1根據(jù)超聲波聲道結(jié)構(gòu)類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計(jì)

單聲道超聲波流量計(jì)是在被測(cè)管道或渠道上安裝一對(duì)換能器構(gòu)成一個(gè)超聲波通道，應(yīng)用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，但這種流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，測(cè)量精度不易控制，一般用于中小口徑管道和對(duì)測(cè)量精度要求不高的渠道。多聲道超聲波是在被測(cè)管道或渠道上安裝多對(duì)超聲波換能器構(gòu)成多個(gè)超聲波通道，綜合各聲道測(cè)量結(jié)果求出流量。與單聲道超聲波流量計(jì)相比，多聲道流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，可用于大口徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管渠。