超声波流量计量表的应用

超声波流量计（UltrasonicFlowmeter） 是通过检测流体流动时对超声波（超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。超声波流量计具有如下主要特点：被测流体中不插入任何元件，对流速无影响，也没 有压力损失；能用于任何液体，特别是具有高黏度、强腐蚀，非导电性等性能的液体的流量测量，也能测量气体的流量；对于大口径管道的流量测量，不会因管径大 而增加投资；量程比较宽，可达5∶1；输出与流量之间呈线性等。

由于这些独特的优点，超声波流量计的发展非常迅速，已经成为常用的流量计之一，其应用领域日益扩大，具有相当好的发展前景。

超声波流量计的检测原理包括两种：时差法和多普勒法。目前，市场上zui常用的超声波流量计为时差法超声波流量计。多普勒法超声波流量计由于对被测介质要求较高，存在一定的局限性。下面就分别介绍这两种超声波流量计的检测原理与选型应用。

1 时差法超声波流量计的工作原理

如图1所示，为管道式安装的超声波流量计测量时的示意图，可以清楚的表示出超声波在传感器探头A和B之间的管道内传播的简化几何关系。其中，超声波传播的声道与管道的轴线间夹角为β，管径为D。

超声波穿过管道如同渡船过河流，如果管道内没有液体流动，超声波将以相同的速度向两个方向传播。当管道中的流体流速不为零时，沿流动方向顺 流传播的超声波将加快速度，而逆流传播的超声波将变缓慢。因此，相对于没有流体流动的情况，当管道中存在流体流动时，顺流传播的时间tD将缩短，逆流传播的时间tU将增长。根据这两个传播时间差，就可以计算出管道中流体流速。这就是时差法超声波流量计的基本测量原理。

图1 时差法超声波流量计测量示意图

在图1中，有下面的关系成立：

（1）

（2）

将以上式（1）和式（2）联立并解之，可得：

（3）

式中L—超声波在还能器之间的传播路径长度，m；

X—声道长度在管轴线的平行线上的投影长度，m；

tD，tU—超声波顺流传播时间和逆流传播时间，s；

C—超声波在静止流体中的传播速度，m/s；

Vm—流体通过换能器之间声道上的平均流速，m/s。

其实，式（3）中计算得到的流速还只是沿声道传播方向的流体速度的平均值。而用户想知道的是管道横截面上的平均流速V。由Vm计算V，一般会引入一个速度分布校准系数Kc，即可得：

V=KcVm（4）

式中V—管道横截面上的平均流速，m/s；

Vm—流体通过换能器之间声道上的平均流速，m/s。

Kc—速度分布校准系数。

Kc的数值主要取决于流体的雷诺数。如果声道在通过管道轴线的平面内，则由式（5）给出Kc的一个近似值：

（5）

式中ReD—流体的雷诺数；

对于充分发展的紊流，如果声道不在通过管道轴线的平面内（即倾斜的弦线），这Kc系数及它与雷诺数的关系都将不同。

2 多普勒法超声波流量计工作原理

多普勒（效应）法是利用声学多普勒原理确定流体流量的。多普勒效应是当声源和目标之间有相对运动时，会引起声波在频率上的变化。这种频率变化正比于运动的目标和静止的发射换能器之间的相对速度。图2是多普勒流量计测量时的示意图。

图2 多普勒法超声波流量计测量示意图

如图2所示，超声波流量计的传感器探头A和B安装在管道外，其中A为发射探头，B为接受探头。A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，探头B接收到频率为fB的超声波，可知：

（6）

式中V—散射体运动的速度，m/s；

C—超声波在静止流体中的传播速度，m/s；

θ—声道角。

由于液体的声速为1500m/s左右，被测流速仅仅为每秒数米，即C远远大于V，由此式（6）可以简化为：

（7）

多普勒频移fd正比于散射体流动速度，即：

（8）

由式（8）可知，

（9）

多普勒超声波流量计就是通过以上原理测量管道中流体流速的。