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超声波流量计的原理及应用
作者:管理员    发布于:2015-07-23 20:58:18    文字:【】【】【

 一.引言
 
首先家简单介绍一下流量计的概念
 
凡是有物质流动的场合,人们为掌握其数量都需要流量测量。流量分为瞬时流量(Flow Rate)和累计流量(Total Flow)
 
瞬时流量(Flow Rate):单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量。流过的物质可以是气、液、固体。数学公式:    v为流体的体积,工程上常用的单位m3/h.
 
累计流量(Total Flow):在某一段时间间隔内(可以是一天、一周、一月、一年)流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量称为累计流量,通过将瞬时流量对时间积分可求得累计流量。数学公式:
 
流量计(Flowmeter):用以测量瞬时流量或累计流量的器具统称为流量计
 
 
 
流量计广泛应用于能源计量如水,气等含能工质。流量计的种类繁多,可大体分为几大类,约几百种以上。
 
(1)    差压式流量计:1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。
 
(2)    转子流量计
 
(3)    容积式流量计:1.椭圆齿轮 2.腰轮 3.刮板 4.旋转活塞
 
(4)    涡轮流量计
 
(5)    电磁流量计  :大管径,造价高。安装时需要停水断管
 
(6)    涡街流量计
 
(7)    超声波流量计
 
(8)    质量流量计  

(9)    其它流量计
 
 
 
上述流量计优、缺点,用途各异。用户选表总想找到一种理想的流量计以解决它的流量计量问题,而流量计制造厂都力图制造出一种理想流量计以适应更广泛的需要。总结千百种流量计的所有优点可以提出理想流量计的条件如下:
 
  1.检测件无阻碍物; 
 
  2.检测件可夹装在管道外部,可随意移动在任何地点测量而无须截断管道与流体;  
 
3.仪表的流量计算方程简单明确,可外推到未知领域而无须实流校验;  
 
4.频率脉冲输出信号,数字式仪表,便于远传抗干扰及与计算机联网;   
 
5.仪表输出信号不受流体流动特性的影响;  
 
6.仪表复现性高;  
 
7.仪表范围度宽,线性好;  
 
8.仪表可靠性高,价格适宜,维修技术不复杂;  
 
9.无须个别实流校验,或只须“干校”,或在一、二种介质中校验可推广到各种介质;  
 
10.检测件输出信号直接反映质量流量。  
 
可以说至今并没有出现上述的理想流量计,所有流量计都多少具备一些上述条件,只不过有的多些,有的少些。所有流量计制造厂试制新产品都力图能更多地具备上述条件。
 
我们今天介绍的超声波流量计,目前之所以能被相当广泛的用户普遍接受是有客观原因的。主要是它能在更多方面更好地满足理想流量计的一些条件。
 
 
 
二.超声波流量计的历史
 
(1)    1928年德国人研制成功第一台超声波流量计,并取得了专利。至今超声波流量计以有
 
75年历史
 
(2)1955年首先应用于马克森(MAXSON)流量计测量航空燃烧油,这是一种基于声循环法的两组探头(换能器)组成的液体流量计
 
(3)1958年A.L.H-ERDRICH等人发明折射式探头,由于他们的研究可进一步消除由于管壁
 
的交混回响所产生的相位失真,也为管外夹装提供了理论依据。
 
进入20世纪七十年代以后,由于集成电路和锁相环路技术的发展,使超声波流量计得以克服以前的精确度不高,响应慢,稳定性与可靠性差等致命弱点,使实用的超声波流量计得以发展。
 
近20年来特别是近10年来,基于高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展,基于新型探头材料与工艺的研究以及声道配置与流量动力学的研究,超声流量测量技术取得了长足进展,显示了强劲的技术优势,发展势头迅猛。2000年在巴西召开的国际流量测量学术会议(FLOMEK-O‘2000)上共宣读学术论文集103篇,其中直接涉及超声波流量计及超声波技术的论文20篇,约占论文总数的1/5。在历次国际流量学术会议上,采用超声波流量计作为传递标准的文献愈来愈多,可见超声波流量计其潜在的巨大的生命力。
 
 
 
三.超声波流量计的分类
 
(1)    按原理分:
 
A.           传播速度差法:
 
a.       时差法(目前最常采用此法)b.频差法(声环法)c.相位差法
 
d. 多普勒法(目前最常采用此法)e.相关法 f.射束位移 g.涡街法
 
(2)按探头(换能器)安装方式分:
 
A.外夹式
 
B.插入式(即湿式)又分为:
 
a.带测量管段的   b.不带测量管段,直接在工艺管段上实现安装的。
 
(3)按声道数目划分:
 
A.单声道
 
B.多声道(2—8声道)
 
(4)按性能分;
 
A.标准型 B.固定式 C.便携式 D.低温防水型 E.其他
 
 
 
四.超声波流量计的基本原理
 
1.基本原理
 
超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。相对于固定座标系(如管壁),顺流的超声波的传播速度将大于逆流的传播速度。为实现流量(流速)测量,首先需要有一个发射超声波的换能器(俗称超声波探头),通常采用石英等材料制成的压电元件作为换能器。发射超声波时是利用负压电效应,即利用高频电脉冲的作用,使压电晶体高频振动,从而发出脉冲变化的高频压力波(即超声波)。超声波以某一角度射入流体中传播,然后由装在管道对面的接收换能器接受。接受换能器则利用正压电效应,将高频压力波又转换高频的电脉冲信号。
 
可以轮流交替地利用同一个换能器及发射高频、短时的脉冲压力波,又用来接收对面换能器发来的脉冲压力波。可以用一组换能器兼做超声波的收、发用。由于人耳听到声音的上限频率是20千赫,而此种流量计所收、发的压力波的频率是0.5—10兆赫(典型频率是1MHz),属于超声波范畴,超声波流量计因此得名。
 
2.管外夹式时差式液体超声波流量计的工作原理
 
该类型流量计利用测量超声波在管道中传播时间原理而实现的。介质(液体)在管道中流速,与超声波沿介质顺流和逆流传播的时间差存在着线性关系。只要分别测量出超声波顺流、逆流的传播时间,就可以依据线性关系得到沿管道路径上各点流速的瞬时平均流速。这样,介质流量则可以通过流速、管道截面积以及雷诺数等得到。
 
当超声波束在液体中传播时,流体的流动将使传播时间产生微小变化,并且其传播时间的变化正比于液体的流速,由此可求出液体的流速。

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