超声波测流量的作用原理

　　超声波在流体中传播时，受到流体速度的影响而载有流速信息，通过检测接收到的超声波信号可以测知流体流速，从而求得流体流量。超声波测量流速、流量的技术已在工业以及医疗、河流和海洋观测等领域的计量测试中得到广泛应用。

　　超声波测流量的作用原理有传播速度法、多普勒法、波束偏移法、噪声法、相关法、流速一液面法等多种方法，这些方法各有特点，在工业应用中以传播速度法最普遍。

　　（1）传播速度法的测量原理

　　超声波在流体中的传播速度与流体流速有关。传播速度差法利用超声波在流体中顺流与逆流传播的速度变化来测量流体流速并进而求得流过管道的流量。其测量原理如图1所示，根据具体测量参数的不同，又可分为时差法、相差法和频差法。

　　①时差法

　　时差法就是测量超声波脉冲顺流和逆流时传播的时间差。

图1　超声测速原理

　　如图1所示，在管道上、下游相距L处分别安装两对超声波发射器（T₁、T₂）和接收器（R₁、R₂）。设声波在静止流体中的传播速度为c，流体的流速为μ，则声波沿顺流和逆流的传播速度将不同。当T₁按顺流方向、T₂按逆流方向发射超声波时，超声波到达接收器R1和R2所需要的时间t₁和t₂与流速之间的关系为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1）

　　由于流体的流速相对声速而言很小，即c≥u，可忽略，因此时差

　　而流体流速

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　当声速c为常数时，流体流速和时差△t成正比，测得时差即可求出流速，进而求得流量。但是，时差△t非常小，在工业计量中，若流速测量要达到1％精度，则时差测量要达到0.01／μs的精度。这样不仅对测量电路要求高，而且限制了流速测量的下限。因此，为了提高测量精度，早期采用了检测灵敏度高的相位差法。

　　②相差法

　　相位差法是把上述时间差转换为超声波传播的相位差来测量。设超声换能器向流体连续发射形式为s（t）=Asin（ω_t+ψ₀）的超声波脉冲，式中w为超声波的角频率。

　　按顺流和逆流方向发射时收到的信号相位分别为和。则在顺流和逆流接收的信号之间有相位差

　　式中，f为超声波振荡频率。由此可见，相位差△ψ比时差△t大2πf倍，且在一定范围内，f越大放大倍数越大，因此相位差△ψ要比时差△t容易测量。将式（8-58）代入上式，则流体的流速

　　　　　　　　　　　　　　　（3）

　　相差法用测量相位差取代测量微小的时差提高了流速的测量精度。但在时差法和相位差法中，流速测量均与声速c有关，而声速是温度的函数，当被测流体温度变化时会带来流速测量误差，因此为了正确测量流速，均需要进行声速修正。

　　③频差法

　　频差法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的循环频率之差来测量流量的。其基本原理可用图1说明。超声波发射器向被测流体发射超声脉冲，接收器收到声脉冲并将其转换成电信号，经放大后再用此电信号去触发发射电路发射下一个声脉冲，不断重复，即任一个声脉冲都是由前一个接收信号脉冲所触发，形成“声循环”。脉冲循环的周期主要是由流体中传播声脉冲的时间决定的，其倒数称为声循环频率（即重复频率）。因此可得。顺流时脉冲循环频率和逆流时脉冲循环频率分别为：

　　顺流和逆流时的声脉冲循环频差

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（4）

　　为所以流体流速

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（5）

　　由上式可知流体流速和频差成正比，式中不含声速c，因此流速的测量与声速无关，这是频差法的显著优点。循环频差△f很小，直接测量的误差大，为了提高测量精度，一般需采用倍频技术。

　　由于顺、逆流两个声循环回路在测循环频率时会相互干扰，工作难以稳定，而且要保持两个声循环回路的特性一致也是非常困难的。因此实际应用频差法测量时，仅用一对换能器按时间交替转换作为接收器和发射器使用。

　　④流量方程

　　时差法、相差法、频差法测得的流速u是超声波传播途径上的平均流速。它和截面平均流速
是不相同的，因此在确定流量方程时需要知道截面平均流速和测量值u之间的关系，这一关系取决于截面上的流速分布。

　　在层流流动状态时（Re<2300）可以推导出

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（6）

　　当流动状态为紊流时，测量值与截面平均流速之间的关系可表示为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（7）

　　式中k=u／为修正系数，是雷诺数廊的函数，在Re<10⁵时，k=1.119-0.OllgRe；在Re≥10⁵时，。

　　有了测量值与截面平均流速之间的关系以后，即可写出流体的体积流量方程为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（8）

　　式中u用相应的式子代入，即可得到时差法、相差法和频差法的流量方程。

　　（2）多普勒法测量原理

　　根据多普勒效应，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。这个频率的变化与两者之间的相对速度成正比。超声多普勒流量计就是基于多普勒效应测量流量的。

　　在超声多普勒流量测量方法中，超声波发射器为固定声源，随流体一起运动的固体颗粒相当于与声源有相对运动的观察者，它的作用是把入射到其上的超声波反射回接收器。发射声波与接收器接收到的声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。这个频率差正比于流体流速，故测量频差就可以求得流速，进而得到流体流量。

　　利用多普勒效应测流量的必要条件是：被测流体中存在一定数量的具有反射声波能力的悬浮颗粒或气泡。因此，超声多普勒流量计能用于两相流的测量，这是其他流量计难以解决的。超声多普勒法测流量的原理如图2所示。

图2　超声多普学法流量测量原理

　　设入射超声波与流体运动速度的夹角为θ，流体中悬浮粒子（或气泡）的运动速度与流体流速相同，均为u。当频率为f1的入射超声波遇到粒子时，粒子相对超声波发射器以ucosθ的速度离去。粒子接收到的超声波频率f2应低于f1，其值为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（9）

　　由于粒子同样以ucosθ忽略超声波入射方向与反射方向的夹角）的速度离开接收器，所以粒子反射给接收器的声波频率fs将又一次降低，为

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（10）

　　将f2代入上式，可得

　　（11）

　　由于声速c远大于流体的速度u，故上式中的平方项可以略去，由此得

　　　　　　　　　　　　　　　　　　（12）

　　接收器接收到的反射超声波频率与发射超声波频率之差，即多普勒频移△fd为

　　　　　　　　　　　　　　　（13）

　　因此，由上式可得流体流速u

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （14）

　　由上式可见，流速u与多普勒频移△fd成正比。

　　式（14）中含有声速C，而声速与被测流体的温度和组分有关。当被测流体温度和组分变化时会影响流量测量的准确度。因此，在超声多普勒流量计中一般采用声楔结构来避免这一影响。

　　（3）超声流量计的特点与应用

　　超声流量计由超声换能器、电子线路及流量显示系统组成。超声换能器通常由锆钛酸铅陶瓷等压电材料制成，通过电致伸缩效应和压电效应，发射和接收超声波。流量计的电子线路包括发射、接收电路和控制测量电流，显示系统可显示瞬时流量和累积流量。

　　超声流量计的换能器大致有夹装型、插入型和管道型三种结构形式。换能器在管道上的配置方式如图3所示，Z式是最常见的方式，即单声道，装置简单，适用于有足够长的直管段，流速分布为管道轴对称的场合；V式适用于流速不对称的流动流体的测量；当安装距离受到限制时，可采用X式。换能器一般均交替转换作为发射和接收器使用。

　　超声流量计测量时，超声换能器可以置于管道外，不与流体直接接触，不破坏流体的流场，没有压力损失。其可用于各种液体的流量测量，包括测量腐蚀性液体、高粘度液体和非导电液体的流量，尤其适于测量大口径管道的水流量或各种水渠、河流、海水的流速和流量，在医学上还用于测量血液流量等。

（a）Z式　　　　　　　　　　（b）V式　　　　　　　　　（c）X式

图3　超声换能器在管道上的配置方式

　　和其他流量计一样，超声流量计前需要一定长度的直管段。一般直管段长度在上游侧需要10D以上，而在下游侧则需要5D左右。