超聲波在流速測量的原理.docx

1、第4卷第2期水利電力機械電子技術(shù)MACH.&ELEC.TECH.WATERCONSERVANCY&FLEC.POW.Vol.4No.21990超聲波在流速測量中的原理邢宗奕電子工程系）當(dāng)前科手技術(shù)迅猛發(fā)展，激量方法也向著電子化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)化。用超聲波技術(shù)來進行液態(tài)流體的流速與流量的測量是一仲較電迷的升技應(yīng)用。對江河水文探舛、電廠管道效率的提高都極為有用。一美贈聲波，流速.測量，時間隹，相位篷，環(huán)差值1. 超聲波流速探測器的主要特點及類型超聲波流速探測器的主要特點如下，1.1可以盡量少的妨礙或不妨礙流體.流動來測定其流速。1.2對能傳播超聲波的流體、祐度較高的流體及非導(dǎo)電性流體

2、都可以測定。1.3流速探測器的傳感裝置體積小而堅固，又不易受附著物的影響，而且維修檢查比較方便。1.4若導(dǎo)流管為可透超聲波村料，則可從導(dǎo)管外部烈定管內(nèi)流體的流速。1-5測量精度因采用電子技術(shù)，訶以明顯得到提高。1.6應(yīng)用范圍極廣。大的可用于江河流速的麗定，以及各種直徑管道內(nèi)流體流速的測定。小的可測定血管中血液的流速。雖然超聲流速探測器電于電路比較復(fù)雜，而且成本較高。但近年來電子技術(shù)由于集成化微電子技術(shù)高速度的發(fā)展，集成度越來越高，成本越來越低。因此超聲波流速探測器的應(yīng)用是能得到推廣的。超聲波流速探測器原理有兩大類型：一種類型是利用流體流速的變化使超聲波傳播特性發(fā)生變化（例如時間、相位、.頻率的

3、變化）,另一種類型是利用流體中含有各種異雜物體在流動速度下對超聲波的反射效應(yīng)。也就是聲學(xué)中的多荷勒效應(yīng)。前一種類型的測定原理是根據(jù)始聲波在流體中傳播時間的變化埴，來測定超聲波住傳播路徑中的'均流速，后一種類型的測定原理是根據(jù)超聲波反射時多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻差量米測定流速。本文主要討論傳播時間變化髭方法的工作原理。2. 超聲波傳播特性變化法利用超聲波傳播特性變化原理來測定流速的方法有三種*傳播時間差法，傳播相位差法.循環(huán)差值法等。下面分別介紹其測定原理，2.1傳播時間差法，在我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ龅狡箜橈L(fēng)和逆風(fēng)下，聽到聲音的傳播時間存在很大的差別。同樣超聲波在靜止的流體中傳播速度和超聲波在運動

4、流體中傳播速度也是不同的。應(yīng)用這一原理可以測得流體的速度。設(shè)超聲波在靜止流體中的傳播速度為C,流體本身的流速為此因此超聲波順流體運動方向的傳播速度為C+V,而逆流體運動方向的速度為Cf用圖】說明其工作原理，圖1中，君和為超聲波可逆換能器元件，它可以把聲能轉(zhuǎn)換為電能，也可把電能轉(zhuǎn)換成聲能。把它們置于順流體流向距離為L的流體中，業(yè)要求同深度。這樣超聲波換能器元件，既可以發(fā)射超聲波聲源，又可以作為1<-L一1VC+v1->1流體流向.|旦|4|CjJJ-一1_.1CV河流和管道罔1蛆聲波傳播時間是法工作原理接受超聲波信號。由發(fā)射超聲波順流傳播到馬的傳播時間為，由馬發(fā)射超聲波逆流傳播到冗的

5、傳播時間為如因此得CvL二者的時間箜&則為,LL2LuTlc二C+y=C2-v8U>-般來說河流或管道流體的流速約為兒個m/s以下的數(shù)最級，而超電波住流體中的傳播速度的為150m/s（為空汽,中傳播速度的5倍）。由此，在多數(shù)情況TC»v,所以（1）式可以簡化為，在式（2）中，如果乙與C為已知量，只要測得其傳播時間差為&,就可測得流體的流速實際應(yīng)用中，由于時間差&很小，必須用復(fù)雜的電子電路來完成對時間的測定。由公式（2）中可以看出距離L可設(shè)法固定，超聲波在靜止流體中的傳播速度可以寫成為溫度、深度和含雜最的函數(shù)，如下式所示C=1430+3.75T-OBOIS

6、T*+0.006D式中，C為流體（水中傳播速度，米/秒。r為流體中的溫度，f%第2期超聲波在流速測量中的原理51D為換能器元件在流體中的深度，米。從公式中可以看出深度D對傳播速度影響不太大，而流體中溫度丁對傳播速度的影響較大。所以，必須對流體中傳播速度的皮化，采取適當(dāng)?shù)难a償來提高流速測定的準(zhǔn)確性。通常是用測溫元件測出流體溫度來進行補償聲波速度的誤差?？蓞⒖枷旅媛曀倥c流體溫度的關(guān)系曲線如圖2所示；02：聲在水中停播速度與溫度函數(shù)曲線。A（海水），B（淡水）。圖3所示為流速探測器的工作原理方塊圖。T】、為兩個可接收也可發(fā)射的可逆換能圖3利用時間差法的測速原理方塊圖圖3利用時間差法的測速原理方塊圖5

7、2水利電力機械電子技術(shù)1990第4卷器。由定時轉(zhuǎn)換器控制兩換能器處于接收或發(fā)射的工作狀態(tài)。定時轉(zhuǎn)換后由同步器控制各電路同步工作。發(fā)射到接收的時間量在調(diào)制器中經(jīng)詞制送入計數(shù)器計數(shù)。定時轉(zhuǎn)換器給出指令后，存貯器即存入逆流傳播時間h,輸送到戚法器與勺相威。川/u變換器把&的數(shù)字量變換成的數(shù)字量，同時將所測的流體溫度在變換器中進行補償修正。最后用數(shù)字顯示器顯示流速讀數(shù)值。若換能揣元件在管道內(nèi)直接影響流速及流量的測定，可以將可逆換能器設(shè)置在外業(yè)緊姑管壁。使超聲波導(dǎo)聲方向與流體流動方向有一相位角0,如圖4圖4管道拱能序放丑方法因此，必須取cose的分量作為流體的順流速或逆流速危。這樣1式中傳播時間

8、堅&為：,2LvcosO,、zit=/t-/i=gr-管外測定時要求管壁用比較接近流體傳聲性能的材料做成，或者采用內(nèi)壁板薄便于透聲，外壁板厚承受管內(nèi)壓力，業(yè)在壁板間也能充滿流體進行均壓，這樣可以波少測星誤蓮。2.2傳播相位差法若用圖1中八換能器發(fā)射超聲波信號，而乙換能器接收超聲波信號，業(yè)以連笠發(fā)射與接收的方式工作。，則T,的發(fā)射信號ElAsin”，的接收信號&=A，sinwQ為超聲波由"順流傳播到T,的傳播時間，則1-C+v八發(fā)射的超聲波信號相位為和L接收到超聲波信號相位口。-），其相位差為S=g工廠反之，若n換能器發(fā)射超聲波信號，。換能器接收超聲波信號，奶逆流時兩信

9、號的相位差為M則超聲波在流速用量中的原理53a)LC-v心2oLv上式可知，測量流與逆流各次信號間相位差乙。中，可得到流體的流速V循環(huán)差值法旃面兩種流速的測破方法是建立在順流或逆流交替各測一次所得變量&©中的結(jié)果。由于測得的&及入巧里極小，布且對不同流體的傳播特性及溫度要進行不同的補償修正。因此測量的準(zhǔn)確度和電路復(fù)雜程度均要求很高。循環(huán)差值法是累積多次變景差值進行測量，使克服了上述的不足。如在圖1中，由T*換能器發(fā)射超聲波信號，經(jīng)時間，傳當(dāng)C接收到超聲波信號后，再變換成控制電信號反饋到發(fā)射電路，激勵V再形成一個閉環(huán)信號系統(tǒng)。其路徑如下，射流體傳播一接收一激勵電借號差值

10、更加明顯,播到乙換能器。次發(fā)射超聲波,起始信號發(fā)射稱為單一循環(huán)。頻率，為傳播時間，的倒數(shù)。順流傳播的頻率右為每變換激勵一次為一個循環(huán)周期，也就是一次傳播時間L因此變族激勵的而逆流傳播的頻率人為,1C-w顯然原流變換頻率高于逆流變換頻率，兩者的頻率差為則流體的流速u為<5)由(5)式可知，只要測出順,逆流J5環(huán)頻率差與心就可求得流速此法的大優(yōu)點是可不考慮超聲波在流體中傳播速度C,因而就無需考慮溫度對聲逮的影響。使典定過程簡單，測量精度更準(zhǔn)確。循環(huán)頻率差法的原理圖如圖5所示。圖中收發(fā)轉(zhuǎn)換耕是根據(jù)同空信號按一定的轉(zhuǎn)挽時聞31水利電力機械電子技術(shù)1990第4卷h使C換能部及匚換能器交替工作。即每

11、經(jīng)一次循環(huán)工作時間，后，八與7的發(fā)射與接收進行一次轉(zhuǎn)換。循環(huán)控制器是將接收換能器接收到的脈沖超聲波信號經(jīng)放大變換成激勵信號.再次觸動發(fā)射器發(fā)射脈沖超聲波,產(chǎn)生下一次循環(huán)。存貯器是存貯順流傳播時的頻率人，以備送往減法器與逆流傳播頻率人相減。L口轉(zhuǎn)換同步器I一a5楣跖殖率星法原理圖收發(fā)轉(zhuǎn)換扉循環(huán)頻本差值法顧理波形如圖。所示，圖中上下波形比較可知，以相同轉(zhuǎn)換時問f內(nèi)所測順流傳播率A,3志一,與逆流傳播頻率從而可得到頻率差4/=/,-/1代入6式，即可求得值u。同樣也可采用循環(huán)時間差法，它是利用在相同循環(huán)次數(shù)內(nèi)的狼積時間r®,t逆如FiT.WT2我凱iIlJULIUL"lt敖勵1i

12、L&±d.nAiLii(6>S6擁環(huán)i*率是.康理波"雙變換累積時間差&為，式中八循環(huán)次數(shù)A2LnAt=r逆-tJK=-rv-時間差法工作原理圖，可用圖5形式。但必須作如F改變。循環(huán)控制除保持循環(huán):L作時間外，同時能設(shè)定循環(huán)次數(shù)ft值大小。計頗器改用計時器。頻率一流速轉(zhuǎn)換電Af/v,改用肘間一流速軸換電路&/u。利用時間差值測定流速時，必須考慮超聲波在流體中傳播速度C值的補償修正。第2期超聲波在流速測屋中的原理553. 注意事項3.1電聲換能器是超聲波發(fā)射和接收的敏感元件。設(shè)計時應(yīng)使尺寸盡垃小，其工作頻率應(yīng)選擇高些，通常取幾兆赫茲為宜。尺寸小還

13、能減少對管內(nèi)流體流速的影響?？刹捎脡弘娛教沾善妓崤倨┳龀深D能器。，3.2對測定點管道的要求。為防止流速在管內(nèi)分布不均勻造成的誤差，由此對管路直管K度I要求.測試點上流側(cè)1>1OJ測試點下流蒯，Ed（d為管內(nèi)直徑）對水道要求直道長度，測試點上流側(cè)*I>10B測試點下流側(cè)，1>5B3為流體面寬度若管道設(shè)置有控制閥及閘時，上述長度應(yīng)再增加35倍.3.3保養(yǎng)及檢查】主要是對水下部分器件，防止流體中異常物的機械沖擊。以及長期浸入流體中時換能器的絕緣性能惡化。換能器的工作面盡量保持清潔.防止隔聲物附著其表面影響聲傳播。參考文獻1J（美）JW霍頓。聲納原理”馮秉全譯。PRINCIPLEOFFLOWRETEMEASURINGBYMEANSOFULTRASOUNDXinZongyiAbstract：Thispaperintrocucestheprincipleofflowratemeasuringem-phasitically,whichusesthevariationoftransmittingpropertiesforultrasoundinafluid（Suchaschangesoftime;phase,frequencyetc,）