超聲波流量計的基本原理及類型

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超(chao)聲(sheng)波(bo)在(zai)流(liu)動(dong)的(de)流(liu)體(ti)中(zhong)傳(chuan)播(bo)時(shi)就(jiu)載(zai)上(shang)流(liu)體(ti)流(liu)速(su)的(de)信(xin)息(xi)。因(yin)此(ci)通(tong)過(guo)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)超(chao)聲(sheng)波(bo)就(jiu)可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)出(chu)流(liu)體(ti)的(de)流(liu)速(su)，從(cong)而(er)換(huan)算(suan)成(cheng)流(liu)量(liang)。根(gen)據(ju)檢(jian)測(ce)的(de)方(fang)式(shi)
，可(ke)分(fen)為(wei)傳(chuan)播(bo)速(su)度(du)差(cha)法(fa)、多普勒法
、波束偏移法

、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術迅速發展才開始應用的一種
feijiechushiyibiao
，shiyuceliangbuyijiechuheguanchadeliutiyijidaguanjingliuliang。tayushuiweijiliandongkejinxingchangkaishuiliudeliuliangceliang。shiyongchaoshengboliuliangbibuyongzailiutizhonganzhuangceliangyuanjiangubuhuigaibianliutideliudongzhuangtai
，buchanshengfujiazuli，yibiaodeanzhuangjijianxiujunkebuyingxiangshengchanguanxianyunxingyinershiyizhonglixiangdejienengxingliuliangji。
眾所周知，目前的工業流量測量普遍存在著大管徑
、大流量測量困難的問題
，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來製造和運輸上的困難，造價提高、能損加大
、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非fei接jie觸chu測ce流liu，儀yi表biao造zao價jia基ji本ben上shang與yu被bei測ce管guan道dao口kou徑jing大da小xiao無wu關guan
，而er其qi它ta類lei型xing的de流liu量liang計ji隨sui著zhe口kou徑jing增zeng加jia
，造zao價jia大da幅fu度du增zeng加jia，故gu口kou徑jing越yue大da超chao聲sheng波bo流liu量liang計ji比bi相xiang同tong功gong能neng其qi它ta類lei型xing流liu量liang計ji的de功gong能neng價jia格ge比bi越yue優you越yue。被bei認ren為wei是shi較jiao好hao的de大da管guan徑jing流liu量liang測ce量liang儀yi表biao，多duo普pu勒le法fa超chao聲sheng波bo流liu量liang計ji可ke測ce雙shuang相xiang介jie質zhi的de流liu量liang，故gu可ke用yong於yu下xia水shui道dao及ji排pai汙wu水shui等deng髒zang汙wu流liu的de測ce量liang。在zai發fa電dian廠chang中zhong，用yong便bian攜xie式shi超chao聲sheng波bo流liu量liang計ji測ce量liang水shui輪lun機ji進jin水shui量liang、汽輪機循環水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用於氣體測量。管徑的適用範圍從2cm到5m
，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。
另外，超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力
、粘度
、密度等參數的影響
，又可製成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、fangshexingjiyiranyibaojiezhideliuliangceliangwenti。lingwai
，jianyufeijiechuceliangtedian，zaipeiyihelidedianzixianlu，yitaiyibiaokeshiyingduozhongguanjingceliangheduozhongliuliangfanweiceliang。chaoshengboliuliangjideshiyingnengliyeshiqitayibiaobukebinide。chaoshengboliuliangjijuyoushangshuyixieyoudianyincitayuelaiyueshoudaozhongshibingqiexiangchanpinxiliehua、通用化發展，現已製成不同聲道的標準型
、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應不同介質，不同場合和不同管道條件的流量測量。　　
超chao聲sheng波bo流liu量liang計ji目mu前qian所suo存cun在zai的de缺que點dian主zhu要yao是shi可ke測ce流liu體ti的de溫wen度du範fan圍wei受shou超chao聲sheng波bo換huan能neng鋁lv及ji換huan能neng器qi與yu管guan道dao之zhi間jian的de耦ou合he材cai料liao耐nai溫wen程cheng度du的de限xian製zhi，以yi及ji高gao溫wen下xia被bei測ce流liu體ti傳chuan聲sheng速su度du的de原yuan始shi數shu據ju不bu全quan。目mu前qian我wo國guo隻zhi能neng用yong於yu測ce量liang200℃以yi下xia的de流liu體ti。另ling外wai
，超chao聲sheng波bo流liu量liang計ji的de測ce量liang線xian路lu比bi一yi般ban流liu量liang計ji複fu雜za。這zhe是shi因yin為wei，一yi般ban工gong業ye計ji量liang中zhong液ye體ti的de流liu速su常chang常chang是shi每mei秒miao幾ji米mi，而er聲sheng波bo在zai液ye體ti中zhong的de傳chuan播bo速su度du約yue為wei1500m／s左右
，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數量級．若要求測量流速的準確度為1％
，則對聲速的測量準確度需為10-5～10-6shuliangji，yincibixuyouwanshandeceliangxianlucainengshixian，zheyezhengshichaoshengboliuliangjizhiyouzaijichengdianlujishuxunsufazhandeqiantixiacainengdedaoshijiyingyongdeyuanyin。　　
超聲波流量計由超聲波換能器、dianzixianlujiliuliangxianshiheleijixitongsanbufenzucheng。chaoshengbofashehuannengqijiangdiannengzhuanhuanweichaoshengbonengliang，bingjiangqifashedaobeiceliutizhong，jieshouqijieshoudaodechaoshengboxinhao，jingdianzixianlufangdabingzhuanhuanweidaibiaoliuliangdedianxinhaogonggeixianshihejisuanyibiaojinxingxianshihejisuan。zheyangjiushixianleliuliangdejiancehexianshi。　　
超chao聲sheng波bo流liu量liang計ji常chang用yong壓ya電dian換huan能neng器qi。它ta利li用yong壓ya電dian材cai料liao的de壓ya電dian效xiao應ying
，采cai用yong適shi出chu的de發fa射she電dian路lu把ba電dian能neng加jia到dao發fa射she換huan能neng器qi的de壓ya電dian元yuan件jian上shang，使shi其qi產chan生sheng超chao聲sheng波bo振zhen勸quan。超chao聲sheng波bo以yi某mou一yi角jiao度du射she入ru流liu體ti中zhong傳chuan播bo，然ran後hou由you接jie收shou換huan能neng器qi接jie收shou，並bing經jing壓ya電dian元yuan件jian變bian為wei電dian能neng
，以yi便bian檢jian測ce。發fa射she換huan能neng器qi利li用yong壓ya電dian元yuan件jian的de逆ni壓ya電dian效xiao應ying，而er接jie收shou換huan能neng器qi則ze是shi利li用yong壓ya電dian效xiao應ying。　　
超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍(bei)，以(yi)保(bao)證(zheng)振(zhen)動(dong)的(de)方(fang)向(xiang)性(xing)。壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)材(cai)料(liao)多(duo)采(cai)用(yong)鋯(gao)鈦(tai)酸(suan)鉛(qian)。為(wei)固(gu)定(ding)壓(ya)電(dian)元(yuan)件(jian)
，使(shi)超(chao)聲(sheng)波(bo)以(yi)合(he)適(shi)的(de)角(jiao)度(du)射(she)入(ru)到(dao)流(liu)體(ti)中(zhong)，需(xu)把(ba)元(yuan)件(jian)故(gu)人(ren)聲(sheng)楔(xie)中(zhong)，構(gou)成(cheng)換(huan)能(neng)器(qi)整(zheng)體(ti)(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要求強度高
、耐老化
，而且要求超聲波經聲楔後能量損失小即透射係數接近1。常用的聲楔材料是有機玻璃

，因為它透明

，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。　　
超聲波流量計的電子線路包括發射、接收
、信號處理和顯示電路。測得的瞬時流量和累積流量值用數字量或模擬量顯示。　　
根據對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法(包括：直接時差法、時差法
、相位差法、頻差法)波束偏移法
、多普勒法
、相關法、空kong間jian濾lv波bo法fa及ji噪zao聲sheng法fa等deng類lei型xing，如ru圖tu所suo示shi。其qi中zhong以yi噪zao聲sheng法fa原yuan理li及ji結jie構gou最zui簡jian單dan

，便bian於yu測ce量liang和he攜xie帶dai，價jia格ge便bian宜yi但dan準zhun確que度du較jiao低di，適shi於yu在zai流liu量liang測ce量liang準zhun確que度du要yao求qiu不bu高gao的de場chang合he使shi用yong。由you於yu直zhi接jie時shi差cha法fa、時差法、頻(pin)差(cha)法(fa)和(he)相(xiang)位(wei)差(cha)法(fa)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)都(dou)是(shi)通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)超(chao)聲(sheng)波(bo)脈(mai)衝(chong)順(shun)流(liu)和(he)逆(ni)流(liu)傳(chuan)報(bao)時(shi)速(su)度(du)之(zhi)差(cha)來(lai)反(fan)映(ying)流(liu)體(ti)的(de)流(liu)速(su)的(de)
，故(gu)又(you)統(tong)稱(cheng)為(wei)傳(chuan)播(bo)速(su)度(du)差(cha)法(fa)。其(qi)中(zhong)頻(pin)差(cha)法(fa)和(he)時(shi)差(cha)法(fa)克(ke)服(fu)了(le)聲(sheng)速(su)隨(sui)流(liu)體(ti)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)帶(dai)來(lai)的(de)誤(wu)差(cha)
，準(zhun)確(que)度(du)較(jiao)高(gao)，所(suo)以(yi)被(bei)廣(guang)泛(fan)采(cai)用(yong)。按(an)照(zhao)換(huan)能(neng)器(qi)的(de)配(pei)置(zhi)方(fang)法(fa)不(bu)同(tong)，傳(chuan)播(bo)速(su)度(du)差(cha)撥(bo)又(you)分(fen)為(wei)：Z法(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產生偏移來反映流體流速的，低流速時
，靈敏度很低適用性不大．多普勒法是利用聲學多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普　　
勒頻移來確定流體流量的，適用於含懸浮顆粒
、氣qi泡pao等deng流liu體ti流liu量liang測ce量liang。相xiang關guan法fa是shi利li用yong相xiang關guan技ji術shu測ce量liang流liu量liang，原yuan理li上shang，此ci法fa的de測ce量liang準zhun確que度du與yu流liu體ti中zhong的de聲sheng速su無wu關guan
，因yin而er與yu流liu體ti溫wen度du，濃nong度du等deng無wu關guan
，因yin而er測ce量liang準zhun確que度du高gao，適shi用yong範fan圍wei廣guang。但dan相xiang關guan器qi價jia格ge貴gui
，線xian路lu比bi較jiao複fu雜za。在zai微wei處chu理li機ji普pu及ji應ying用yong後hou，這zhe個ge缺que點dian可ke以yi克ke服fu。噪zao聲sheng法fa(聽音法)是shi利li用yong管guan道dao內nei流liu體ti流liu動dong時shi產chan生sheng的de噪zao聲sheng與yu流liu體ti的de流liu速su有you關guan的de原yuan理li
，通tong過guo檢jian測ce噪zao聲sheng表biao示shi流liu速su或huo流liu量liang值zhi。其qi方fang法fa簡jian單dan，設she備bei價jia格ge便bian宜yi，但dan準zhun確que度du低di。　　
以上幾種方法各有特點，應根據被測流體性質．流速分布情況、管guan路lu安an裝zhuang地di點dian以yi及ji對dui測ce量liang準zhun確que度du的de要yao求qiu等deng因yin素su進jin行xing選xuan擇ze。一yi般ban說shuo來lai由you於yu工gong業ye生sheng產chan中zhong工gong質zhi的de溫wen度du常chang不bu能neng保bao持chi恒heng定ding，故gu多duo采cai用yong頻pin差cha法fa及ji時shi差cha法fa。隻zhi有you在zai管guan徑jing很hen大da時shi才cai采cai用yong直zhi接jie時shi差cha法fa。對dui換huan能neng器qi安an裝zhuang方fang法fa的de選xuan擇ze原yuan則ze一yi般ban是shi：當流體沿管軸平行流動時，選用Z法；當流動方向與管鈾不平行或管路安裝地點使換能器安裝間隔受到限製時

，采用V法或X法。當流場分布不均勻而表前直管段又較短時
，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來克服流速擾動帶來的流量測量誤差。多普勒法適於測量兩相流
，可避免常規儀表由懸浮粒或氣泡造成的堵塞、磨損、附著而不能運行的弊病
，因而得以迅速發展。隨著工業的發展及節能工作的開展，煤油混合(COM)
、煤水泥合(CWM)燃料的輸送和應用以及燃料油加水助燃等節能方法的發展
，都為多普勒超聲波流量計應用開辟廣闊前景。
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