超聲波多普勒流量計(jì)測(cè)量原理Read

1、超聲波多普勒流量計(jì)測(cè)量原理1基本工作原理超聲波多普勒流量計(jì)的測(cè)量原別是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀(guān)察者之間有相對(duì)運(yùn)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(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對(duì)速度成正比在超聲波多普勒流量測(cè)量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運(yùn)動(dòng)的固體顆粒起了與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的 “觀(guān)察者 ”的作用， 當(dāng)然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收據(jù) 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(yùn)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(cè)量頻差可以求得流速進(jìn)而可以得到流體的流量因

2、此，超聲波多普勒流量測(cè)量的一個(gè)必要的條件是：被測(cè)流體介質(zhì)應(yīng)是含有一定數(shù)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(cè)量方法適宜于對(duì)兩相流的測(cè)量， 這是其它流量計(jì)難以解決的問(wèn)題 因此，作為一種極有前途的兩相流測(cè)量方法和流量計(jì)，超聲波多普勒流量測(cè)量方法目前正日益得到應(yīng)用2流量方程假設(shè)，超聲波波束與流體運(yùn)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(yùn)動(dòng)速度與流體流速相同，均為 u現(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導(dǎo)出聲波多普勒頻差與流速的關(guān)系式如圖 339 所示， 當(dāng)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(yùn)動(dòng) 對(duì)

3、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(yīng)低于發(fā)射的超聲波頻率 f1，降低的數(shù)值為f2f1 f1 （373）即粒子收到的超聲波頻率為f2f1 f1 （374）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(jì)算， f3 可表示為f3f2 f2 （375）將 f2 的表達(dá)式代入上式，可得：2f3f1（1 )f1（12 ） （376）由于聲速 c 遠(yuǎn)大于流體速度 u，故上式中平方項(xiàng)可以略去

4、，由此可得：f3f1（12 ） （377）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 f1，可由下式計(jì)算：ff1f3f1f1（12 ）f1 （378）由上式可得流體速度為u f （379）體積流量 qv 可以寫(xiě)成：qvuA f （380）式中， A 為被測(cè)管道流通截面積出以上流量方程可知，當(dāng)流量計(jì)、管道條件及被測(cè)介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測(cè)量頻移 f 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(duì)測(cè)量的影響由流量方程可見(jiàn)，流雖測(cè)量結(jié)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(shù) 為了避免測(cè)量結(jié)果受介

5、質(zhì)溫度、組分變化的影響， 超聲波多普勒流量計(jì)一般采用管外聲楔結(jié)構(gòu)，使超聲波束先通過(guò)聲楔及管壁再進(jìn)入流體。設(shè)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 340 所示，根據(jù)折射定理，有： 代入流量關(guān)系式，可得：qv f （381）由此式可見(jiàn)，采用聲楔結(jié)構(gòu)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(shù)量極， 且與流體組分無(wú)關(guān) 所以，采用適當(dāng)材料制造聲楔，可以大幅度提高流量測(cè)量的準(zhǔn)確度(2)信息窗與平均多普勒頻移為有效

6、地接收多普勒頻移信號(hào)，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 341所示 由圖中可見(jiàn)， 換能器接收到的反射信號(hào)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(qū)域內(nèi)的粒子的反射波，這個(gè)重疊區(qū)域稱(chēng)為多普勒信號(hào)的信息窗圖340 聲楔與聲波的折射流量計(jì)接收換能器所收到的信號(hào)就是由信息窗中所有流動(dòng)懸浮粒子的反射波疊加， 即其信息窗內(nèi)多普勒頻移為疊加的平均值平均的多普勒頻移 f 可以表示為f （I1，2，3 ） （3 82）式中 f 信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；Ni 產(chǎn)生多普勒頻移 fi 的粒子數(shù)；fi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(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，所以要求信息窗應(yīng)位于管內(nèi)接近平均流速的區(qū)域上，才能使其測(cè)量值能反映管內(nèi)流體的平均流速但是管內(nèi)平均流速區(qū)域的位置是一與雷諾救有關(guān)的函數(shù)，當(dāng)管內(nèi)流動(dòng)的雷諾數(shù) Re發(fā)生變化時(shí)，其平均流速區(qū)域位置也將改變 而一旦流量計(jì)安裝完畢， 其多普勒信息窗位置就固定了，為使測(cè)得的多普勒頻移信號(hào) f 能在不同雷諾數(shù) Re 條件下均能正確地反映流量值， 在流量計(jì)算公式中引入流速修正系數(shù)