超聲波流量測量技術綜述

1、超聲波流量測量技術綜述目錄引言超聲波流量計時差法總結(jié)展望1 引言超聲波流量計的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀超聲波流量計的特點超聲波流量計的分類1.1 超聲波流量計的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1931 年，最早的關于超聲波用于管道流量測量的德國專利 1955年，誕生了世界上第一臺超聲波流量計MAXSON 流量計 1958年，設計出來折射式超聲波探頭 70年代早期，超聲多普勒流量計誕生 70年代后期到80年代初期，研制出了用于氣體流量測量的超聲波流量計1.1 超聲波流量計的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀90年代后，超聲波流量計的關鍵部件超聲波傳感器的性能得到了比較大的進步。 進入二十一世紀后，現(xiàn)代數(shù)字信號技術等先進技術在超聲波

2、流量計方面成功應用，使得超聲波流量計測量的精確性、穩(wěn)定性及操作的便利性得到了充分的體現(xiàn)1.1 超聲波流量計的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 二十世紀五十年代末期，國內(nèi)一些單位開始了相關的研究 六十年代中期，研制出了用于水電站特大口徑的超聲波流量計 1975 年，開始研制頻差法超聲波流量計 80 年代中期，國內(nèi)生產(chǎn)出了代表當時國際水平的超聲波流量計 2000年引進氣體超聲波流量計 總體上，國內(nèi)的高精度超聲波流量計幾乎全是國外的產(chǎn)品，低端產(chǎn)品過剩，高端依賴進口的形勢1.2 超聲波流量計的特點超聲波流量計一種非接觸式儀表，主要特點: 解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測量困難的問題。 對介質(zhì)幾乎沒要求。可測液體、

3、氣體、甚至雙向氣體 超聲波流量計的測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響 超聲波流量計的測量范圍度寬,一般可達20:11.3 超聲波流量計的分類根據(jù)測量原理，超聲波流量計可分為：時差法超聲流量計、相差法超聲流量計、頻差法超聲流量計、多普勒超聲流量計、液位測量、相關法超聲流量計等。2 超聲波流量計時差法超聲波流量計各方法原理時差法超聲波流量計時差法與相關法相結(jié)合的方法影響測量的因素2.1超聲波流量計各方法原理 2.1.1 傳播速度差法工作原理 根據(jù)超聲波在流動的流體中,順流傳播的時間與逆流傳播的時間之差與被測流體的流速有關,求出流速的方法。 2.1.2 多普勒法工作原理 當

4、發(fā)射器和接收器之間有相對運動時,接收器的接收聲頻率與發(fā)射器的發(fā)聲頻率之差跟兩者之間的相對速度成正比。2.1超聲波流量計各方法原理 2.1.3波束偏移法工作原理 超聲波束在流體的流動影響下,其波束的方向會發(fā)生偏移，在超聲波束與流動方向垂直時,這一偏移更明顯,超聲波束方向的偏移,是以接收換能器所接收的波束強度的差值變化來反映的，即該強度與流速有關。 2.1.4噪音法工作原理 噪聲法指當流體在管道中流動時，會產(chǎn)生渦流或紊流等，由于流體產(chǎn)生的剪切作用，會在一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生超聲波，流速與所產(chǎn)生的噪聲強度成比例。這樣，通過對噪聲的檢測就可以得出流體的流速。2.1超聲波流量計各方法原理 2.1.5 旋渦法

5、工作原理 漩渦法是利用流體運動時所產(chǎn)生的漩渦來進行測量的。當流體運動時所產(chǎn)生的漩渦速度幾乎與流體速度相等,超生波束每穿過一個漩渦時,由于漩渦對聲波的折射和反射都使接收器接收到的信號幅度被調(diào)制一次，可根據(jù)調(diào)制頻率而獲得流速。 2.1.6 相關法測量原理 多數(shù)流體在管道內(nèi)的流動是以相關方式運動的紊流模式存在的。若在管道中相隔一定間距的截面上觀察他們的特性，可知流速剖面之間存在相關性，相關度是隨著間距的減小而增加。2.2 時差法超聲波流量計 2.2.1 時差法流量計原理 （2-6） （2-7） （2-8） （2-9） （2-10） cosvcLtABcosvcLtBAsinLD 222coscos2

6、vcvLtDtcv2tan22.2 時差法超聲波流量計 2.2.2 改進時差法 由于式(2-10)中含有聲速c，溫度的變化會引起聲速的變化。當管道中的流體溫度與管道外的現(xiàn)場環(huán)境溫度存在差別較小時，在運算中可以忽略不計，這時可以通過改進的測量方法和算法，消除計算公式中的聲速，從而簡化流體傳播速度的計算。在改進的時差法中對式(2-6)(2-7)進行變形，得到超聲波順流傳播時： （2-11） （2-12）ABtLvccosBAtLvccos2.2 時差法超聲波流量計 2.2.2 改進時差法 兩式相減得氣體流速： （2-13） 相加氣體內(nèi)聲速： （2-14） 流量 （2-15） 流體流動一般分為兩種狀

7、態(tài)：一是層流狀態(tài)，軸向流動；二是紊流狀態(tài)，既有軸向的運動，又有劇烈的橫向流動。兩種不同狀態(tài)對應速度分布不同。所以(2-15)是遠遠不精確的,用如下公式： （2-16） 2sinDttttvBAABABBABAABBAABttttLc2tAVQM412DvtKQM2.2 時差法超聲波流量計 2.2.2 改進時差法 補償系數(shù) 的計算經(jīng)驗公式： （2-18） 其中Re為流體的雷諾系數(shù)，用來表征流體流動特性，管道是圓形時，計算公式如下： （2-19） 管道是圓形時，Re 2320時,流體是層流狀態(tài)，Re2320就認為是紊流狀態(tài)。K1 55237. 010ReRelog011. 0119. 110ReR

8、e43125. 601. 013/4KvDRe2.2 時差法超聲波流量計 2.2.3 改進時差法的實現(xiàn)難點 氣體的渡越時間與管道尺寸及聲速有密切關系，管道直徑為500mm時，渡越時間在ms數(shù)量級，渡越時間之差在 s數(shù)量級甚至可能更低，因此精確測量渡越時間和渡越時間之差、和非常重要。 此方法對渡越時間和渡越時間之差的測量精度要求非常高，因此如何精確測量它們成為一難點。 其中一種方法是將時差法和相關法相結(jié)合，使用相關法能以較高的精度測出渡越時間，并能直接測出渡越時間之差，排除由相對精度造成的誤差，大大提高運算精度。2.3 時差法與相關法相結(jié)合 相關法測時差的前提是兩信號的相似性，信號相似性越高，時

9、差測量越精確。信號在傳輸過程中會發(fā)生畸變，但只要兩信號還保持原來的相似性，時差測量精度就不會改變。即只要兩信號相似，就不會影響時差測量結(jié)果。 兩隨機信號x(t)和y(t)波形基本相同，只是兩信號間有一時間上的滯后。將信號x(t)和y(t)做互相關運算,則互相關函數(shù)為： （2-19）dttytxTRTTxy0)()(1lim)(2.3 時差法與相關法相結(jié)合 互相關函數(shù)圖形峰值(最大值)位置所對應的時間 就是兩信號間滯后時間。 在理想流動狀態(tài)下，上述系統(tǒng)可視為一個線性非時變系統(tǒng)，即 。將變成與時間t無關的 ，而且可以表示成一簡單的延時脈沖即 。 則互相關函數(shù)就是在時間軸上平移了 的輸入信號x(t)

10、的自相關函數(shù),即 。0),(th)(h)(),(0ttth0)(xyR2.3 時差法與相關法相結(jié)合 在超聲波流量計設計中，如圖2.6所示，當超聲波信號由換能器A發(fā)射向換能器B時，換能器B接收到的信號與換能器A發(fā)射的信號在時域上波形應該是相同的，僅僅有時間的延遲，延遲的時間即為超聲波從換能器A到換能器B的渡越時間，同理也可以得出超聲波由換能器B到換能器A的渡越時間。另外換能器A、B分別接收到的信號波形也是相同的，兩者之間的時間延遲即為渡越時間之差，因此利用相關法完全可以測出 、 和時差 。ABtBAtt2.3 時差法與相關法相結(jié)合 設換能器A發(fā)射的超聲波為x0(t)，相應的換能器B接收到的超聲波

11、為x(t)；同理換能器B發(fā)射的超聲波為y0(t),相應的換能器A接收到的超聲波為y(t)。則有： x0(t)與x(t)互相關函數(shù)最大值時得出 ； y0(t)與y(t)互相關函數(shù)最大值時得出 ； x(t)與y(t)互相關函數(shù)最大值時得出時差 ； 由此可以計算出流量，相關法計算流量過程如下圖2.8所示。ABtBAtt2.3 時差法與相關法相結(jié)合 相關法尋找兩個 信號的最大相似 性，從而排除了 個別干擾信號的 影響，且精度較 高，多用于兩相 的流速測量中。 可在系統(tǒng)中用三個甚至更多的控制截面來提高測量精度，缺點是需要多個傳感器，對芯片的處理能力要求較高。 流2.4 影響測量的因素 流速公式(2-16

12、)是在理想情況下，即管道中流體流速分布均勻，管道內(nèi)流體與管道外界環(huán)境溫度相同的條件下得到的，而實際工業(yè)管道中流體的流動十分復雜，管內(nèi)外溫度也可能有較大的差別。這些因素都會影響測量的精度： （1）流體的局部壓力、密度的變化以及流速的影響。 （2）單相流體在湍流流動狀態(tài)下，流體內(nèi)部常常存在局部溫度的不均勻性。 （3）做湍流流動的單相流體內(nèi)部的渦旋運動，可以使在發(fā)送器和接收器之間流體中傳播的聲波產(chǎn)生附加的多普勒頻移。2.4 影響測量的因素 除了溫度變化、流速分布不均勻、多普勒頻移外，引起時差法測量誤差的原因還有工業(yè)現(xiàn)場干擾、管壁厚度和電路、聲路延時等。至于電聲的傳播延時，如果電路和聲路近似對稱，也可以忽略，互相關法就可以很好的消除電路延時造成的影響。所以流量計算的誤差修正主要是消除溫度變化和流速分布不均勻產(chǎn)生的影響。3 總結(jié)展望 超聲波流量計屬于非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量測量。