時(shí)差法超聲波流量計(jì)原理及應(yīng)用
超聲波流量計(jì)主要用于液體的體積流量測(cè)量，在冶金、化工、食品加工、標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。超聲波流量計(jì)已有幾十年的歷史，在原理上主要利用多普勒效應(yīng)法和時(shí)差法。多普勒效應(yīng)法需要流體中含有反射物質(zhì)，主要應(yīng)用于兩相流體的檢測(cè)，此處主要探討時(shí)差法檢測(cè)。
1.
時(shí)差法原理：
超聲波有兩個(gè)重要的特性：定向性，它頻率高且短，可以象光波一樣沿直線(xiàn)傳播；可以在氣體、液體、固體中傳播。所以大部分流體介質(zhì)都能用超聲波原理檢測(cè)。它的測(cè)量方法可簡(jiǎn)單比喻為在河流上渡船擺渡的過(guò)程，順流擺渡渡船到達(dá)對(duì)岸所需的時(shí)間要比逆流的少。河流的流速越大，順流的速度越快，而逆流所需的時(shí)間越長(zhǎng)。順流和逆流所需時(shí)間的時(shí)間差直接與河流的流速有關(guān)。在超聲波流量計(jì)中超聲波好比渡船，河流流速等于流體的流速。電聲變換器發(fā)送和接受的短促聲脈沖信號(hào)穿過(guò)管道中流動(dòng)的介質(zhì)。兩個(gè)變換器分別安裝在縱向有偏移的測(cè)量管道兩側(cè)。這時(shí)超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差與流體的流速成正比。
1.1基本原理
在直型管道中由發(fā)送器（S）以與流動(dòng)方向成銳角的方式發(fā)射穿過(guò)流動(dòng)氣體或液體的超聲波，并用一個(gè)接收器（E）接收信號(hào)。
在靜態(tài)液體中，從發(fā)送器到接收器超聲波運(yùn)動(dòng)的速度為c，液體流動(dòng)的速度為υ，在觀察點(diǎn)O處流動(dòng)速度υ在超聲波運(yùn)動(dòng)方向上的速度分量是Vα，在流動(dòng)液體中與此相應(yīng)的超聲波速度為：
c1=c+Vα=c+cosα
如果把發(fā)送器和接收器互換，那么速度分量的方向與超聲波運(yùn)動(dòng)方向相反，超聲波的速度為：
c2=c-Vα=c-cosα
當(dāng)測(cè)量距離l已知時(shí)，由在測(cè)量距離l上的流體平均速度來(lái)確定測(cè)量時(shí)間t1。該時(shí)間是順流時(shí)超聲波運(yùn)行距離l所需的時(shí)間。但是超聲波速度與液體的溫度有關(guān)，為了補(bǔ)償溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，必須在順流和逆流兩個(gè)方向上同時(shí)發(fā)射超聲波，以便同時(shí)考慮加以計(jì)算。這樣，用超聲波信號(hào)前邊緣檢測(cè)的時(shí)間t1和t2為：
由此導(dǎo)出流體V平均流速為：
在測(cè)量路徑長(zhǎng)度L、傾角α以及管道幾何尺寸不變的前提條件下，能通過(guò)測(cè)量2個(gè)計(jì)時(shí)時(shí)間t1和t2計(jì)算管道的平均速度和靜態(tài)聲速。
兩脈沖運(yùn)行的時(shí)間差為：
式中，D為管道的直徑。
時(shí)間差與沿測(cè)量管道方向的平均流速精確地呈線(xiàn)性關(guān)系（超聲波聲道）。但時(shí)間差的量值很小，所以時(shí)間信號(hào)檢測(cè)非常重要。
1.2
時(shí)間信號(hào)的檢測(cè)方法
在時(shí)間檢測(cè)過(guò)程中，控制發(fā)送的壓電脈沖和處理接收信號(hào)的測(cè)量變送器必須保證有很高的時(shí)間分辨率。檢測(cè)方法經(jīng)歷了過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)、相關(guān)測(cè)量分析以及抗干擾能力和測(cè)量精度有很大改善的復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理等階段。
1.3
發(fā)送器和接收器的原理
超聲波發(fā)送器的種類(lèi)很多，大致可分為機(jī)械和電聲兩大類(lèi)。在超聲波流量計(jì)中通常使用電聲型發(fā)送器。
電聲型超聲波發(fā)送器把電磁能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械波的能量。這種能量轉(zhuǎn)換通過(guò)電聲換能器完成。電聲轉(zhuǎn)換器的作用是將高頻電源的電磁振蕩能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)能量發(fā)出超聲波。最常用的為壓電式，壓電式換能器使用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，從幾十千赫到幾十兆赫，非常適合工業(yè)使用。
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