进口超声波流量计的工作原理

摘要

超声流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的原理开发的流量计，主要由换能器和转换器组成，有多普勒法、速度差法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型。那么超声波流量计的原理怎么区分，本文参照美国威盾VTON的进口超声波流量计的分类进项分析。

正文

工作原理

超声波流量计主要由超声波发生器、超声波接收器、电子线路、流量显示、累积系统几大部分构成。它是一种耐用的、非接触式测量污水的流量计，便携式超声波流量计主要应用于城市污水处理厂、排水泵站环保检测及矿山、油田、冶金、化工、造纸、食品等行业。

流动的流体运行速度与超声波的传播速度这两者存在关系，与固定坐标系相比，超声波的顺流中的传播速度是远大于逆流中的传播速度。想要更好地进行测量，首先需要准备一个能够发射超声波的超声波探头，也就是换能器。超声波发射的时候充分使用负压电高频电脉冲的作用力使得压电晶体实现稳定的高频振动，从而实现有一定脉冲变化的超声波发射效应。超声波可以从一定的角度发射进入到流体中进行传播，然后在超声波换能器的作用之下实现超声波信号的接收效能，与此同时，超声波换能器再一次经过一定的环节将高频电脉冲信号成功转换。

超声测量计的流量测量准确度基本不会受到被测流体的温度、压力、粘度、密度等参数影响，还可制成非接触及便携式测量仪表，所以它可以用于测量许多流量计不能测量的地方，比如测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量问题。

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)、多普勒法、互相关法、波束偏移法、空间滤法及噪声法等。

0、  超声波流量计采用时差式测量原理

一个探头发射信号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到，同时，第二个探头同样发射信号被第一个探头接收到，由于受到介质流速的影响，二者存在时间差Δt，根据推算可以得出流速V和时间差Δt之间的换算关系V=(C2/2L)×Δt，进而可以得到流量值Q。美国威盾VTON的进口超声波流量计常用的方法。

2、多普勒法：是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。

3、相关法：是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器价格贵，线路比较复杂。

超声波互相关流量计为速度-面积法流量计。测量流量Q需要测量两个因素：平均流速和过流面积。 采用以下通用计算公式：Q = v(平均) · A [1]

 流速的精确测量 (v)

互相关流量计基于超声波互相关原理，传感器连续扫描水中多个颗粒或气泡，反射信息存储为图像，基于频率特征的粒子识别，根据脉冲重复频率确定两个脉冲之间的TPRF时差Δt，根据这个时间差和距离间隔得到颗粒或气泡的速度，从而得到这个点的流速。可以把超声波互相关流量计想象为超声波相机：互相关流量计可以记录超声波束内的水平和垂直方向多个颗粒或气泡，如同测量“颗粒云”，并在几毫秒内对颗粒或气泡进行相互比较（两张照片的比对）。互相关流量计的优点是：测量实际流速而不是拟合值，无需对流量计进行校准，无需数据二次处理（即数据清洗）、在复杂条件下具有极高的测量精度。 [1]

过流面积A的精确测量

通过连续测量包含渠道、管道或箱涵的液位来确认过流的横截面A。在已知横截面几何尺寸的情况下，液位变化会导致过流横截面积的变化，因此精确的流量测量需要在所有水力条件下进行精确可靠的液位测量。排水管网中含有较多的杂质，需要考虑多重冗余的液位测量解决方案，确保在非满管等复杂情况下液位的精确测量，提供更多的数据判断可能存在的问题。

4、噪声法：是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质．流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。

一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病。