1、仪 器 仪 表 学 报2014 年 6 月 Chinese Journal of Scientific Instrument超声波流量测量技术 XXX摘要：超声波流量计是通过检测流体流动时对超声束(或超声脉冲)的作用，以测量体积流量的仪表。本文主要讨论用多普勒法测量封闭管道液体流量的工作原理。关键词：多普勒法，流量测量，超声波流量计Abstract: Ultrasonic flowmeter is through the detection of fluid flow on ultrasound beam (or ultrasonic pulse), to measure the volume
2、 flow meter. By using the doppler method were discussed in this paper the working principle of the liquid flow measurement closed pipes.Keywords: doppler method; the flow measurement; ultrasonic flowmeter.1. 流量测量方法简介由于流量检测条件的多样性和复杂性，流量检测的方法非常多，是工业生产过程常见参数中检测方法最多的。据估计，目前在全世界流量检测的方法至少已有上百种，其中有十多种是工业生产
3、和科学研究中常用的。流量检测方法的分类，时比较错综复杂的问题，目前还没有比较统一的分类方法。就检测量的不同可分为体积流量和质量流量两大类。按照检测原理不同，流量检测方法有可分为速度法、容积法和质量法。超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、
4、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。2. 流量测量系统设计2.1 流量测量原理超声波多普勒流量计的测量原别是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动
5、而产少的声波多普勒频移由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速进而可以得到流体的流量因此，超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜于对两相流的测量，这是其它流量计难以解决的问题因此，作为一种极有前途的两相流测量方法和流量计，超声波多普勒流量测量方法目前正日益得到应用。多普勒效应原理多普勒效应指出，波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。原因为：声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示
6、单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频仪 器 仪 表 学 报2014 年 6 月 Chinese Journal of Scientific Instrument率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小观察者 (Observer) 和发射源 (Source) 的频率关系为：为观察到的频率；为发射源于
7、该介质中的原始发射频率；为波在该介质中的行进速度；为观察者移动速度，若接近发射源则前方运算符号为 + 号, 反之则为 - 号；为发射源移动速度，若接近观察者则前方运算符号为 - 号，反之则为 + 号。1) 流速方程式如图 5 所示，超声换能器 A 向流体发出频率为 fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移 fd，接收换能器 B 收到频率为 fB的超声波，其值为式中 v散射体运动速度。多普勒频移 fd 正比于散射体流动速度（由于cv，所以 c-vcosc） cvos2fc-vos2ffAABd 测量对象确定后，上式右边除 v 外均为常量，移行后得 2
8、) 流量方程式多普勒法的流量方程式形式上为下式，只是所测得的流速是各散射体的速度 v（代替式中的 vm） ，与载体液体管道平均流速数值并不一致；方程式中流速分布修正系数 Kd 以代替 K0， Kd 是散射体的“照射域”在管中心附近的系数；其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数。其中Admfcos2v式中 K流速分布修正系数，即声道上线平均流速 vm和面平均流速 vm和平面平均流速v 之比，K=v m/v；DN管道内径。K 是单声道通过管道中心（即管轴对称流场的最大流速处）的流速（分布）修正系数。管道雷诺数 ReD 变化 K 值将变化，仪表范围度为 10 时，K 值
9、变化约为 1；范围度为100 时，K 值约变化 2。流动从层流转变为紊流时，K 值要变化约 30。所以要精确测量时，必须对 K 值进行动态补偿。（3） 液体温度影响的修正式（11）中又流体声速 c，而 c 是温度的函数，液体温度变化会引起测量误差。由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即在式（11）中的流体声速 c 用声楔的声速 c0取代，以减小用液体声速时的影响。因为从图 6 可知 cos=sin,再按斯纳尔定律 sin/csin 0/c0，式（11）便可得式（12） ，其中 c0/sin 0可视为常量。仪 器 仪 表 学 报2014 年 6 月 Chinese Journal of
10、 Scientific Instrument(12)2.2 测量系统结构及实现方法超声波流量计采用多普勒法测量，主控单元采用 MCU（80C51 单片机） ，显示单元用LCD 由微型计算机驱动显示结果。首先由管道两端的超声波发射和接收换能器（发射电路） ，发射和接收超声波，由传感器测得信号经接收电路接收，然后再由信号调理后经 AD 转换为数字信号为送往单片机（MCU 中 ） ，在 MCU 中，计算机经过分析计算和转换，最终将结果显示在显示屏上。3. 误差分析散射体的影响：实际上多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体，而所测得各散射体速度和载体液体平均流速间的关系也有差别。其他参量如散射体粒度大
11、小组合与流动时分布状况，散射体流速非轴向分量，声波被散射体衰减程度等均影响频移信号。在测量过程中也应保持流体稳定流动，振动也会对测量结果有影响。为有效地接收多普勒频移信号，超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，见下图所示由图中可见，换能器接收到的反射信号只能是发射晶片和接收晶片的两个指向性波束重叠区域内的粒子的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。流量计接收换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮粒子的反射波叠加，即其信息窗内多普勒频移为叠加的平均值平均的多普勒频移 f 可以表示为f （I1，2，）式中 f信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；Ni产生多普勒频移 fi
12、的粒子数；fi一任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。为使测得的多普勒频移信号 f 能在不同雷诺数 Re 条件下均能正确地反映流量值，也需在流量计算公式中引入流速修正系数K流速修正系数 K 是雷诺数 Re 和信息窗位置的函数，用它来对因上述原因引起的测量误差进行修正。在此，该安装方法的流量方程不再赘述，读者有兴趣可自行推导。 4. 总结超声波测流技术以其测量精度高、实时性好的特点越来越得到重视。但因其价格高、专业性强、维护管理要求高使其应用推广较慢。随着国家对水利投入的加大和节水型社会的建设，该技术设备将很快成为主要测流手段而得到广泛的应用。参考文献工业现场传感器控制单元（MCU）显示单元（LCD）
13、电源电路接收电路键盘及其他信号调理计数电路A D转换发射电路仪 器 仪 表 学 报2014 年 6 月 Chinese Journal of Scientific Instrument1) 自动检测技术与装置 张宏建 化学工业出版社 2010.92) 自动控制原理 厉玉鸣 化学工业出版社 2005.63) 赵晋梅，薛梅花，闫玉会超声波测流技术和超声波流量计的应用J仪器仪表标准化与计量，2004，(1)：3O314) 黄挚雄超声波流量计的发展与应用J自动化与仪表，19985) 尹国盛 多普勒效应的研究 【J】广西物理，2003.24（3）：33346) Research on design an
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