多普勒超声波流量计基本原理及应用

1 引言
  
  超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。
  
  2 多普勒超声波流量计工作原理
  
  多普勒超声波流量计可用声波或频率高于20kHz的振动探测管道的流量。按照设计需要，产品可利用管道周边安装的浸湿性或未浸湿性变送器耦合管道内流动体的超声波能量。
  
  
  附图 多普勒超声波流量计工作原理图
  
  
  多普勒超声波流量计为利用多普勒效应工作。如附图所示其通过对流体中颗粒与气泡的反射，使得传输频率被线性改变。其最终结果是发射器与接收器频率之间的转换，该值与流速存在直接关系。多普勒流量计是因奥地利物理学家和数学家Christian Johann Doppler(1803～1853)而得名，多普勒在1842年预言接收的声波频率取决于声源或者与传播媒介相关的观测器的运动。为采用多普勒效应测量管道内的流量，其变送器可把0～0.5MHz的超声波转换成流体(参看附图)。流经此管道的液体必须包含声音反射材料如固体颗粒或者产生的汽泡，这些材料的运动可改变二次反射后到另一个接收转换器上的光波频率。这种频率变化与管道内材料的流动速度成线性正比，因此可用于形成一个与流速成正比的模拟或数字信号。
  定义多普勒流量计的基本方程如下:
  
  再通过Snell定律:
  
  因此，从方程(1)和(2)我们可推出:
  
  
  方程(3)清楚地表明:流体速度与多普勒频率变化具有线性函数关系。现在由于管道的内径D已知，采用如下方法可测量单位体积的流速V(如每分钟的加仑数):
  
  其中，K是与和D单位有关的常数。
  一台多普勒流量计可把发射和接收变送器安装到同一个外壳内，附于管道的一边。流动液体中的反射体可将发射器的信号返回到接收器，其频率变化与流动速度成正比;当两个变送器被分别安装在管道的相反两边，结果一样。
  
  3 多普勒超声波流量计工作特点
  
  (1) 优点:
  可做非接触式测量;
  为无流动阻挠测量，无压力损失;
  可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁流量计是一种补充。
  (2) 缺点:
  多普勒法只能用于测量含有一定量悬浮颗粒和气泡的液体;
  多普勒法测量精度不高。
  (3) 应用概况:
  气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验;
  多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体，例如:未处理污水、工厂排放液、脏流程液，通常不适用于非常清洁的液体。
  
  4 多普勒超声波流量计应用注意事项
  
  最基本注意事项是仔细阅读制造商的操作说明书。超声波流量计的早期问题可能是由于(至少不排除)，用户不理解某些基础步骤的重要性，如变送器在管道上的正确。无论何种情况下(如管道温度出现剧烈变化或非常规振动)，都必须保持管道对声波的耦合及变送器的相关调整。
  运用多普勒和时差流量计显示显示实际的单位体积流速时，被测管道的流体必须一直是满的。然而，如果两个变送器都安装在管道内的流体表面以下，多普勒流量计也能连续显示部分管道充满流体的流速。
  
  绝大部分生产商都说明了仪表与上游和下游的阀、T形架、肘、泵以及类似物之间的最小距离。而且一般都以管道直径表示，通常上游应为1020直径，下游为5直径。
  另一方面，多普勒流量计的功能取决于流动液体中的反射物。因此，为得到可靠的测量数据，必须注意有关固态颗粒或气泡的浓度和尺寸的下限。而且，流体速度还必须足够快以保证上述材料处在悬浮状态，生产商将提供典型速度数值规范:如固态为6ft/s(1.8m/s)、而小气泡为2.5ft/s(0.75m/s)。在过去的几年中，多普勒流量计的一些供应商已推出了一些在1MHz以上频度下工作的产品型号。这些产品要求在明净的液体中工作，因为其反射是在流体中的漩涡情况下发生。然而，如果有警告说明，是提醒用户限制该技术用于较低浓度的气泡和颗粒情况。因为在超声波流量计的操作过程中，测量所需的能量仅通过部分测量的液体，Reynolds数(流体中惯性力与粘力的比率)会影响流量计的性能。例如，按上述的规定说明操作时，有些多普勒流量计和时差流量计要求的最小Reynolds数分别为4000和10000。此处需强调的是，因为上述限制的原因，需要特别注意厂商说明书在这方面的指导。
  
  5 结束语
  
  超声波流量计发展到今天虽然已日趋成熟，但其都有其适用范围，也都有局限性。这就要求我们:
  (1) 在选择仪表时,一定要熟悉仪表和被测对象两方面的情况,并要兼顾考虑其它因素,这样测量才会准确;
  (2) 努力研制新型仪表,使其在现有的基础上更加完善。
  
  参考文献
  [1> 梁国伟. 测量技术及仪表. 北京:机械工业出版社,2002
  
  作者简介
  李晓光(1970-) 男 工程师 主要从事工业自动化系统设计及软件编程工作。

我回不回呢 考虑再三 还是不回了吧 ^_^