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超聲波流量計的原理及應用
閱讀：282 發布時間：2015-3-26
一．引言首先家簡單介紹一下流量計的概念凡是有物質流動的場合，人們為掌握其數量都需要流量測量。流量分為瞬時流量（Flow Rate）和累計流量（Total Flow）瞬時流量（Flow Rate）：單位時間內過封閉管道或明渠有效截面的量。流過的物質可以是氣、液、固體。數學公式： v為流體的體積,工程上常用的單位m3/h.累計流量（Total Flow）：在某一段時間間隔內（可以是一天、一周、一月、一年）流體流過封閉管道或明渠有效截面的累計量稱為累計流量，通過將瞬時流量對時間積分可求得累計流量。數學公式：流量計（Flowmeter）：用以測量瞬時流量或累計流量的器具統稱為流量計流量計廣泛應用于能源計量如水，氣等含能工質。流量計的種類繁多，可大體分為幾大類，約幾百種以上。（1） 差壓式流量計：1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。（2） 轉子流量計（3） 容積式流量計：1.橢圓齒輪 2.腰輪 3.刮板 4.旋轉活塞（4） 渦輪流量計（5） 電磁流量計 ：大管徑，造價高。安裝時需要停水斷管（6） 渦街流量計（7） 超聲波流量計（8） 質量流量計 （9） 其它流量計上述流量計優、缺點，用途各異。用戶選表總想找到一種理想的流量計以解決它的流量計量問題，而流量計制造廠都力圖制造出一種理想流量計以適應更廣泛的需要。總結千百種流量計的所有優點可以提出理想流量計的條件如下： 1．檢測件*物； 2．檢測件可夾裝在管道外部，可隨意移動在任何地點測量而無須截斷管道與流體； 3．儀表的流量計算方程簡單明確，可外推到未知領域而無須實流校驗； 4．頻率脈沖輸出信號，數字式儀表，便于遠傳抗干擾及與計算機聯網； 5．儀表輸出信號不受流體流動特性的影響； 6．儀表復現性高； 7．儀表范圍度寬，線性好； 8．儀表可靠性高，價格適宜，維修技術不復雜； 9.無須個別實流校驗，或只須“干校”，或在一、二種介質中校驗可推廣到各種介質； 10.檢測件輸出信號直接反映質量流量。 可以說至今并沒有出現上述的理想流量計，所有流量計都多少具備一些上述條件，只不過有的多些，有的少些。所有流量計制造廠試制新產品都力圖能更多地具備上述條件。我們今天介紹的超聲波流量計，目前之所以能被相當廣泛的用戶普遍接受是有客觀原因的。主要是它能在更多方面更好地滿足理想流量計的一些條件。二．超聲波流量計的歷史（1） 1928年德國人研制成功*臺超聲波流量計，并取得了。至今超聲波流量計以有75年歷史（2）1955年首先應用于馬克森（MAXSON）流量計測量航空燃燒油，這是一種基于聲循環法的兩組探頭（換能器）組成的液體流量計（3）1958年A.L.H-ERDRICH等人發明折射式探頭，由于他們的研究可進一步消除由于管壁的交混回響所產生的相位失真，也為管外夾裝提供了理論依據。進入20世紀七十年代以后，由于集成電路和鎖相環路技術的發展，使超聲波流量計得以克服以前的度不高，響應慢，穩定性與可靠性差等致命弱點，使實用的超聲波流量計得以發展。近20年來特別是近10年來，基于高速數字信號的處理技術與微處理技術的快速發展，基于新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置與流量動力學的研究，超聲流量測量技術取得了長足進展，顯示了強勁的技術優勢，發展勢頭迅猛。2000年在巴西召開的流量測量學術會議（FLOMEK-O‘2000）上共宣讀學術論文集103篇，其中直接涉及超聲波流量計及超聲波技術的論文20篇，約占論文總數的1/5。在歷次流量學術會議上，采用超聲波流量計作為傳遞標準的文獻愈來愈多，可見超聲波流量計其潛在的巨大的生命力。三．超聲波流量計的分類（1） 按原理分：A． 傳播速度差法：a. 時差法（目前zui常采用此法）b.頻差法（聲環法）c.相位差法d. 多普勒法（目前zui常采用此法）e.相關法 f.射束位移 g.渦街法（2）按探頭（換能器）安裝方式分：A．外夾式B．插入式（即濕式）又分為：a.帶測量管段的 b.不帶測量管段，直接在工藝管段上實現安裝的。（3）按聲道數目劃分：A．單聲道B．多聲道（2—8聲道）（４）按性能分；Ａ．標準型 B．固定式 C．便攜式D．低溫防水型E．其他四．超聲波流量計的基本原理1．基本原理超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有關。相對于固定座標系(如管壁)，順流的超聲波的傳播速度將大于逆流的傳播速度。為實現流量（流速）測量，首先需要有一個發射超聲波的換能器（俗稱超聲波探頭），通常采用石英等材料制成的壓電元件作為換能器。發射超聲波時是利用負壓電效應，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動，從而發出脈沖變化的高頻壓力波（即超聲波）。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由裝在管道對面的接收換能器接受。接受換能器則利用正壓電效應，將高頻壓力波又轉換高頻的電脈沖信號。可以輪流交替地利用同一個換能器及發射高頻、短時的脈沖壓力波，又用來接收對面換能器發來的脈沖壓力波。可以用一組換能器兼做超聲波的收、發用。由于人耳聽到聲音的上限頻率是20千赫，而此種流量計所收、發的壓力波的頻率是0．5—10兆赫（典型頻率是1MHz）,屬于超聲波范疇，超聲波流量計因此得名。2．管外夾式時差式液體超聲波流量計的工作原理該類型流量計利用測量超聲波在管道中傳播時間原理而實現的。介質（液體）在管道中流速，與超聲波沿介質順流和逆流傳播的時間差存在著線性關系。只要分別測量出超聲波順流、逆流的傳播時間，就可以依據線性關系得到沿管道路徑上各點流速的瞬時平均流速。這樣，介質流量則可以通過流速、管道截面積以及雷諾數等得到。當超聲波束在液體中傳播時，流體的流動將使傳播時間產生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，由此可求出液體的流速。