超聲波流量計(jì)的基本原理
1.基本原理
超聲波在流動(dòng)的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。相對(duì)于固定座標(biāo)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(shí)現(xiàn)流量(流速)測(cè)量,首先需要有一個(gè)發(fā)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(fā)射超聲波時(shí)是利用負(fù)壓電效應(yīng),即利用高頻電脈沖的作用,使壓電晶體高頻振動(dòng),從而發(fā)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(duì)面的接收換能器接受。接受換能器則利用正壓電效應(yīng),將高頻壓力波又轉(zhuǎn)換高頻的電脈沖信號(hào)。
可以輪流交替地利用同一個(gè)換能器及發(fā)射高頻、短時(shí)的脈沖壓力波,又用來接收對(duì)面換能器發(fā)來的脈沖壓力波??梢杂靡唤M換能器兼做超聲波的收、發(fā)用。由于人耳聽到聲音的上限頻率是20千赫,而此種流量計(jì)所收、發(fā)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(jì)因此得名。
2.管外夾式時(shí)差式液體超聲波流量計(jì)的工作原理
該類型流量計(jì)利用測(cè)量超聲波在管道中傳播時(shí)間原理而實(shí)現(xiàn)的。介質(zhì)(液體)在管道中流速,與超聲波沿介質(zhì)順流和逆流傳播的時(shí)間差存在著線性關(guān)系。只要分別測(cè)量出超聲波順流、逆流的傳播時(shí)間,就可以依據(jù)線性關(guān)系得到沿管道路徑上各點(diǎn)流速的瞬時(shí)平均流速。這樣,介質(zhì)流量則可以通過流速、管道截面積以及雷諾數(shù)等得到。
當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí),流體的流動(dòng)將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化,并且其傳播時(shí)間的變化正比于液體的流速,由此可求出液體的流速。
如下圖所示:在待測(cè)流量管道外表面上,按一定相對(duì)位置安裝一對(duì)超聲探頭。安裝方式分為“Z”法和“V”法。一個(gè)探頭受電脈沖激勵(lì)產(chǎn)生的超聲脈沖,經(jīng)管壁—流體—管壁為第二探頭所接收。從發(fā)至收超聲脈沖傳播時(shí)間,依其順逆流向分別為:
忽略聲波在聲楔,管壁及處理電路中的時(shí)延t
………………………………(1)
………………………(2)
……………………(3)
…………………………(4)
………………………(5)
……………………(6)
………………(7)
……………………(8)
根據(jù)(1)~(8)式,可得出流體沿直徑方向上的平均流速:
………………(9)
流量………………………(10)
瞬時(shí)流量:?jiǎn)挝粫r(shí)間流過流體管道橫截面的流體流量,常用單位:m3/h。
累計(jì)流量:在一段時(shí)間內(nèi)流過管道橫截面的流體流量(積分流量)常用單位:m3。
其中: L——聲程
M——聲束在液體中的傳播次數(shù)
D——管道內(nèi)徑
θ—超聲波束入射角
C0——靜止時(shí)流體聲速
V——管內(nèi)流體沿管軸向的平均流速
TUP——聲束在正方向上的傳播時(shí)間
TDOWN——聲束在逆方向上的傳播時(shí)間
△T——聲束在正逆兩個(gè)方向上的傳播時(shí)間差
3.超聲波流量計(jì)的基本性能
(1) 實(shí)現(xiàn)了非接觸在線測(cè)量(外夾式傳感器)。
(2) 無阻力無壓力損失,無深度插入部件,無可動(dòng)部件,不影響介質(zhì)流動(dòng)參數(shù)和狀態(tài)。
(3) 安裝位置靈活,直管段要求上游10D,下游5D。
(4) 測(cè)量范圍寬廣,既可測(cè)量小管徑(100mm以下),又可測(cè)量大管徑(最大到6000mm),性價(jià)比高。儀表對(duì)介質(zhì)流速的高靈敏度,使得測(cè)量極慢或快速流動(dòng)介質(zhì)時(shí),均可滿足精度要求。
(5) 可以不斷流拆裝、維修、在線維修極為方便。
(6) 適用于各種工作環(huán)境,可在高低溫、潮濕、粉塵、振動(dòng)等環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作,一次安裝,長(zhǎng)期使用,維修量極少。
以上這些特性是由超聲波流量計(jì)的原理所決定的。