超声波应用Word文档格式.docx
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（7）
令ν表示B车司机接收到的笛声的频率，由多普勒效应可知
（8）
由（6）、（7）、（8）式，得
1引言
近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。
基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门，正日趋成为测流工作的首选工具。
2超声波流量计的测量原理
超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。
传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。
其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；
多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。
2.1时差法测量原理
时差法测量流体流量的原理如图1所示。
它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。
图1超声波流量计测流原理图
设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角，换能器的距离为L。
从P1到P2顺流发射时，声波传播时间t1为：
从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间t2为：
一般c>
>
v，则时差为：
单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。
大型渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化也较大，须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值，见图2。
应用公式（5）、（6）可测得流量Q。
以上各式中：
d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离，为声道数，S为两声道之间的过水断面面积。
图2多声道超声波流量计测流原理图
2.2多普勒法测量原理
多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。
超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。
入射声波与反射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。
由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。
图3多普勒超声波流量计测流原理图
当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时，颗粒接收到的声波频率f1为：
因此，声波接收器和发生器间的多普勒频移Δf为：
θ为声波方向与流体流速v之间的夹角，f0为声源的初始声波频率，c为声源在介质中的传播速度。
若c>
vcosθ则
式（11）、（12）是按单个颗粒考虑时，测得的流体流速和流量。
但对于实际含有大量粒群的水流，则应对所有频移信号进行统计处理。
超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，见图4。
换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。
换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。
平均多普勒频移Δ-f可以表示为：
式中Δ-f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；
ΣNi——产生多普勒频移Δfi的粒子数；
Δfi——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。
由上可知，该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流速的部位，才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。
图4多普勒信息窗示意图
3超声波流量计的分类
3.1根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计
单声道超声波流量计是在被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹式和插入式。
单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。
多声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。
与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠。
3.2根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计
管道流量计一般是指用于有压管道的流量计，其中也包括有压的各种形状断面的涵洞，这种流量计一般是通过一个或多个声道测量流体中的流速，然后求得流量。
用于管渠的超声波流量计除了要具有测流速的换能器以外，还需要有测水位的换能器，根据测得的流速和水位求得流量。
用于管渠的流量计一般含有多个测速换能器（由声道数决定）和一个测水位换能器。
多数河流超声波流量计仅测流速和水位，而河流的过水流量由用户根据河床断面进行计算。
4应用研究
结合国家大型灌区信息化建设的研究内容，作者在昌乐县高崖水库灌区的北干渠上布设了4处监测站：
其中徐家庙监测站渠底宽7.0m，水深1.0～2.0m，采用5声道明渠超声波流量计监测，见图5。
山秦监测站将一段明渠改造为有压管道输水，管径是1.4m，采用单声道管道超声波流量计监测，见图6。
在日照水库灌区总干渠上布设了6个测站，其中石咀监测站渠宽4m，水深1.5～2m，采用了多普勒超声波流量计进行监测，见图7。
图7石咀测站多普勒超声波流量计示意图
各测站采用高精度流速仪对所测的瞬时流量进行对比分析。
通过比较和个别参数修订，各测站测出的瞬时流量稳定可靠，与流速仪测出的数据有很高的一致性。
5结束语
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。
一、声波的多普勒效应
在日常生活中，我们都会有这种经验：
当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时，他会发现火车汽笛的声调由高变低.为什么会发生这种现象呢？
这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来就高；
反之声调听起来就低.这种现象称为多普勒效应，它是用发现者克里斯蒂安·
多普勒（ChristianDoppler,1803-1853）的名字命名的，多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应.为了理解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短，好象波被压缩了.因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；
相反，当火车驶向远方时，声波的波长变大，好象波被拉伸了.因此，声音听起来就显得低沉.定量分析得到f1=（u+v0）/（u-vs）f，其中vs为波源相对于介质的速度，v0为观察者相对于介质的速度，f表示波源的固有频率，u表示波在静止介质中的传播速度.当观察者朝波源运动时，v0取正号；
当观察者背离波源（即顺着波源）运动时，v0取负号.当波源朝观察者运动时vs前面取负号；
前波源背离观察者运动时vs取正号.从上式易知，当观察者与声源相互靠近时，f1＞f；
当观察者与声源相互远离时,f1＜f。
二、多普勒效应在超声波流量测量领域的应用
假设，超声波波束与流体运动速度的夹角为θ，超声波传播速度为c，流体中悬浮粒子运动速度与流体流速相同，均为u．现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为例，导出声波多普勒频差与流速的关系式．如图所示，当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒，该粒子以速度u沿营轴线运动．对超声波发射器而言，该粒子以ucosα的速度离去，所以粒子收到的超声波频率f2应低于发射的超声波频率f1，降低的数值为
f2－f1＝-u*cosα/c*f1
即粒子收到的超声波频率为
f2＝f1-u*cosα/c*f1
式中f1――发射超声波的频率；
a――超声波束与管轴线夹角；
c――流体中声速。
固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以ucosa的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f3又一次降低，类似于f2的计算，f3可表示为
f3＝f2-u*cosα/c*f2
将f2的表达式代入上式，可得：
出以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流量成正比，测量频移△f就可以得到流体流量qv。
超声波流量计
超声波流量计是利用多普勒原理测量流量。
声波在流体中传播时，处在顺流和逆流的不同条件下，其波速并不相同。
顺流时，超声波的传播速度为在静止介质中的传播速度c加上流体的速度ν，即传播速度为（c+ν）；
逆流时，它的传播速度为（c-ν）。
测出超声波在顺流和逆流时的传播速度，求出两者之差（2ν），就可求得流体的速度ν。
测定超声波顺、逆流传播速度之差的方法很多，主要有测量在超声波发生器上、下游等距离处接到超声信号的时间差，相位差或频率差等方法。
超声波流量计的结构原理如图12.10所示，在流量计管壁的斜对面固定两个超声波振子TR1,TR2，兼作为超声波的发送和接收元件。
由一侧的振子产生的超声波脉冲穿过管壁→流体→管壁为另一侧的振子所接收，并转换为电脉冲，经放大后再用此电脉冲激发对面的发送振子，形成所谓单环自激振荡。
振荡周期由超声波在流体中的顺流传播速度决定，周期的倒数即为单环频率f1。
经过一定时间间隔以后，由切换电路使发送振子变成接收振子，而接收振子变成发送振子，此时，测出单环频率f2（取决于超声波在逆流中的传播速度）。
若管径方向流体平均流速为
，超声波束与管轴的夹角为θ，管径为D，则:
（12.12）
（12.13）
式中τ为超声波在管壁内和电脉冲信号在电路中传输所产生的滞后时间的总和。
当c>
，且τ很小时，可得:
（12.14）
因此，测出频率差∆f就可以算出
.
则体积流量为:
（12.15）
顺便提一下，为了使流体流经仪表前就达到典型层流分布，仪表前后必须有足够长的直管段。
使用中要避免流体中出现气泡并防止其他声源干扰。
超声流量计的最大优点是仪表装在管道外，不破坏管道，价格也与管道大小无关。
时差法
设超声波发生器与接收器之间的距离为L，则超声波到达上、下游接收器的传播时间差为:
（12.8）
式中：
c—超声波在静止介质中的传播速度；
ν—流体的速度。
频差法
此法是通过测量顺流和逆流时超声脉冲的重复频率差来测量流速。
在上、下游等距离处收到超声波的频率差为:
（12.11）
可见，利用频率差测流速时与超声波传播速度c无关，因此工业上常用频率差法。
相差法
若超声波发生器发射的是连续正弦波，则上、下游等距离处接收到超声波的相位差为:
（12.10）
式中
ω—超声波的角频率；
电磁流量计
电磁流量计由电磁流量传感器、转换器以及显示仪表等组成，也可由电磁流量传感器和显示仪表直接组成。
传感器的工作原理是基于电磁感应定律，其基本原理请参见第4章。
电磁流量计是应用电磁感应原理来测量导管中导电液体的平均流速，如图12.11所示。
采用不导磁材料制成的流量测量导管，置于均匀磁场中，其内径为D，内壁衬有绝缘材料。
导电液体在管道中流动时，即作切割磁力线的运动，若所有流体质点都以平均流速v运动，则液体流速在整个管道截面上是均匀一致的。
这样，就可以把液体看成许多直径为D的连续运动着的薄圆盘。
这种由液体组成的薄圆盘等效于长度为D的导电体，其切割磁力线的运动速度为υ。
根据上述电磁感应原理可知，在液体圆盘内将产生感应电动势，其大小为:
E=BυD
E—感应电动势；
B—磁感应密度；
υ—平均流速；
D—管道内径。
因为这种液体圆盘是连续不断地通过磁场，所以就能产生连续的感应电动势。
如果磁场是交变磁场，则产生的感应电动势也就是交流感应电动势，其变化频率和磁场变化的频率相同。
现在，一般工业用的都是交流磁场的电磁流量计。
流经圆形导管的体积流量为被测介质的平均流速与导管流通截面积的乘积。
即:
（12.16）
D—两电极间距离（即导管直径），m；
E—感应电动势，V；
B—磁感应强度，T；
v—流体的流速，m/s。
上式可以改写为:
（12.17）
k—仪表的比例常数。
即若感应强度不变，流体充满管道流动，电磁流量计的感应电势与流量成线性关系。
电磁流量计具有下列特点：
输出电信号与流量之间呈线性关系，便于仪表作等分刻度；
仪表的测量不受被测介质的温度、压力、密度和粘度以及流态的影响；
仪表应用范围广，几乎可适用于所有电导率大于10-5Ω/cm的导电性液体，且介质的电导率在许可范围内变化也不影响测量结果，流速测量范围可从每秒几厘米至每秒十余米，满量程时流速可从0.5~10m/s内变化，口径范围可从几毫米至几米；
变送器内无活动部件，几乎无压力损失，并对安装直管段要求不高；
仪表时滞小，能瞬时反应流量变化，可以测脉动流；
输出信号的极性与磁场方向及流速方向有关，所以能用于鉴别流向，可测两向流；
仪表便于清洗和消毒，便于维护，且能输出标准电信号以便于配套，可靠性高，使用寿命长。
椭圆齿轮流量计
1.结构和工作原理
椭圆齿轮流量计属于容积式流量测量仪表。
其主要部分是壳体和装在壳体内的一对相互啮合的椭圆齿轮，它们与盖板构成了一密闭的流体计量空间，流体的进出口分别位于两个椭圆齿轮轴线构成平面的两侧壳体上，如图12.1所示。
图12.1椭圆齿轮流量计工作原理图
动画演示
流体进入流量计时，进出口压力差∆p=p1-p2的存在，使得椭圆齿轮受到力矩的作用而转动。
在图12.1a所示位置时，由于p1>
p2，在p1和p2所产生的合力矩作用下，使齿轮A与壳体所形成的计量空间内的流体排至出口，并带动轮B顺时针方向转动，这时A为主动轮、B为从动轮；
在图12.1b所示位置上，A与B二轮都产生转矩，两轮继续转动，并逐渐将流体封入B轮和壳体所形成的计量空间内；
当继续转到图12.1c所示位置时，p1和p2作用A轮上的转矩为零，而B轮入口压力大于出口压力，产生转矩，使B轮成为主动轮并继续作顺时针转动，同时把B轮与壳体所形成的计量空间内的流体排至出口。
如此往复循环，A、B两轮交替带动，以椭圆齿轮与壳体间固定的月牙型计量空间为计量单位，不断地把入口处的流体送到出口。
图12.1所示仅为椭圆齿轮转动1/4周的情况，相应排出的流体量为一个月牙型空腔容积。
所以，椭圆齿轮每转一周所排流体的容积为固定的月牙型计量空间容积V0的4倍。
若椭圆齿轮的转数为n，则通过椭圆齿轮流量计的流量为:
（12.1）
由此可知，已知排量q值的椭圆齿轮流量计，只要测量出转数n，便可确定通过流量计的流量大小。
2.工作特性
椭圆齿轮流量计是借助于固定的容积来计量流量的，与流体的流动状态及粘度无关。
但是，粘度变化会引起泄漏量的变化，泄漏过大将影响测量精度。
椭圆齿轮流量计只要保证加工精度，和各运动部件的配合紧密，保证使用中不腐蚀和磨损，便可得到很高的测量精度，一般情况下为0.5～1%，较好时可达0.2%。
值得注意的是，当通过流量计的流量为恒定时，椭圆齿轮在一周的转速是变化的，但每周的平均角速度是不变的。
在椭圆齿轮的短轴与长轴之比为0.5的情况下，转动角速度的脉动率接近0.65。
由于角速度的脉动，测量瞬时转速并不能表示瞬时流量，而只能测量整数圈的平均转速来确定平均流量。
椭圆齿轮流量计的外伸轴一般带有机械计数器，由它的读数便可确定流量计的总流量。
这种流量计同秒表配合，可测出平均流量。
但由于用秒表测量的人为误差大，因此测量精度较低。
现在大多数椭圆齿轮流量计的外伸轴都带有测速发电机或光电测速盘。
再同二次仪表相连，可准确地显示出平均流量和累积流量。
压差式流量计
图12.3
压差流量计原理与压力分布情况（动画）
实验证明，流体流经各种节流装置时，其流速和压力沿流动方向的分布情况是类似的。
图12.3所示为水平管道内装有节流孔板时，沿流动方向的压力分布情况。
压差式流量计的计算公式:
（12.2）
a—流量系数；
ε—流体压缩系数。
对不可压缩流体，ε=1；
对可压缩流体，ε<
1；
A0—孔板的最小截面积。
常用的节流装置有标准孔板，喷嘴和文杜里管等，如图所示。
流体通过节流装置时，由于克服摩擦阻力和在节流装置后形成漩涡均要消耗一定的能量，所以通过节流装置后有一部分静压力不能恢复，从而造成压力损失即所谓净压力损失dp，参见图。
对于不同型式的节流装置其净压力损失dp的数值也不相同。
孔板的dp最大，文杜里管由于内表面呈流线型与流束趋向一致，所以净压损失dp最小，而喷嘴的dp值则介于两者之间。
因此，对于允许的净压力损失dp较小时，可以采用喷嘴或文杜里管。
在加工、安装方面以孔板最方便也最便宜，而文杜里管最复杂价格也贵。
所以在一般情况下，都采用孔板。
标准节流装置都有规格产品，可以根据实际需要选用。
靶式流量计
靶式流量计是以管内流动的流体给予插入管中的靶的推力F来测量流量的一种测量装置。
它的结构原理如图12.7所示。
当被测流体通过装有圆靶的管道时，流体冲击圆靶使其受推力F作用，经杠杆将力传递给粘有应变片的悬臂梁（也可采用其它形式的力传感器）。
这样应变电桥就输出与力F成正比的电压。
由测得的F值就可根据下述关系确定流量的大小。
流体流动给予靶的作用力大体可分成三个方面：
靶对流体流动的节流作用所产生的净压差∆p=p1-p2；
流体流动的动压力ρν2/2；
流体的粘性摩擦力，这一项对于目前大多采用圆靶而言，可略去不计。
所以，推力F主要由静压力差∆p和动压力ρν2/2所组成，
（12.3）
A—靶的受力面积，m2
ρ—流体的密度，kg/m3；
ν—流体的流速
k1,k2—比例系数；
K=k1+k2，靶上推力的比例系数。
由此得流速ν:
（12.4）
则通过管道流体的流量为:
（12.5）
A0—靶和管壁间的环形间隙面积，m2，A0=π（D2-d2）/4；
D—管道内径为，m；
d—圆板靶外径，m。
则有:
（12.6）
Ka—靶式流量计的流量系数；
β—靶的结构参数。
由式（12.6）可知：
在已知ρ、D、d及Ka的情况下，只要测得靶推力F的大小，便可确定被测介质的体积流量。
流量系数Ka与b、D及流体流动的雷诺数Re有关，它的数值由实验确定。
例如当圆靶D=53mm，对于结构系数分别为b=0.7和b=0.8的Ka-b-Re实验曲线如图12.8所示。
由图可知，当Re值较大时Ka趋于某一常数，而当Re较小时，Ka随Re的减小而显著减小。
在流量计的测量范围内，一般总希望Ka值能基本上保持常数，以保证流量计的测量误差不致超过允许值。
另外，这种流量计与差压式流量计相比，它的流量系数Ka趋于常数的临界雷诺数较小，因此适于测量粘度较大的流体。
靶式流量计的测量精度约为2%—3%。
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