測量非穩定性流體的超聲流量計

    我們設計了一種流量計，其工作原理如圖1所示。

    用共振頻率相同的壓電石英片作超聲輻射器和接收器，從高頻振蕩器得到能源的輻射石英能保證產(chǎn)生良好的超聲射束，調節接收石英，使每塊石英上可接收到的聲束幾乎相同。無(wú)論是輻射石英還是接收石英，它們都夾緊在管道的外面，超聲束沿直徑方向橫過(guò)管道（在高頻工作時(shí)管壁不會(huì )阻礙超聲波的傳播，也不會(huì )使聲束產(chǎn)生失真），接收石英片的連接直使兩石英片上所產(chǎn)生的電壓反相。困此，當管道內容物在流動(dòng)時(shí)，在接收石英片的聲束作用范圍將重新分布，這種重新分布的特性可從超聲束中能流矢量的表達式中明顯看出：

                （1）

    式中 v為介質(zhì)粒子位移速度的相加矢量；ρ為流過(guò)管道的介質(zhì)密度；P為超聲束中的聲壓。

    在介質(zhì)位移速度恒定的情況下，矢量I的周期平均值將偏差一個(gè)角度：

        （2）

    式中 c為聲速；v為介質(zhì)的位移速度

    若輻射石英和接收石英之間的距離己知（這里必須取管道的內徑），即可求出聲束沿接收石英傳播的距離，聲束在接收石英片中的傳播會(huì )引起其上的電壓發(fā)生變化，并使放大器的輸入失去平衡，工作信號經(jīng)過(guò)放大、檢波輸至指示器中，而這儀器的刻度可以刻成流體或氣體的流量計量單位。應該注意，當介質(zhì)的移動(dòng)速度很低時(shí)，α角很小，而使超聲束沿著(zhù)聲波接收器而稍有移動(dòng)，結果由于管道的可能變形（例如溫度變形）使流速的測量有顯著(zhù)誤差。這種變形是因為超聲輻射器和接收器的相對移動(dòng)而產(chǎn)生的。因此，當測量結果要求很精確時(shí)，應盡量減小管道測量段的可能變形。

    由于在很多專(zhuān)著(zhù)中都已講到了超聲流量計的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在這里只討論該流量計與一般超聲流量計的區別。

    脈沖式流量計需要應用相當復雜的儀器設備，這種流量計的主要缺點(diǎn)在于：它雖能指出與聲波傳播速度變化有關(guān)的示值，但由于要求發(fā)送脈沖的頻率嚴格地穩定，故不能用來(lái)足夠精確地測量流體的小流速。

    文中所述流量計的特點(diǎn)是調節簡(jiǎn)單（用電位差計能將平衡減小到零），使用簡(jiǎn)便流量計在最寬流速范圍內（從每秒幾厘米到幾十米）具有高度的精確性。這種流量計可用來(lái)測量任何一種均勻介質(zhì)的流量。

    由于在所測流量的介質(zhì)中，聲波傳播速度變化時(shí)流量計工作原理的本身將會(huì )產(chǎn)生局部的補償，所以在某些情況下，允許介質(zhì)物理性能略有變化（由溫度、濃度等變化所引起），而不致顯著(zhù)防礙測量的精度。簡(jiǎn)化公式（2），則可得到所有速度范圍內都具有足夠精度的式子：

    由此可見(jiàn)，α角與聲波在介質(zhì)中的傳播速度有關(guān)。如果這一速度發(fā)生變化，則α角也將相應變化。這樣就能使超聲束沿著(zhù)聲波接收器移動(dòng)，這種移動(dòng)將為聲速的增加或減少而引起介質(zhì)聲阻抗的相應增高或減低所補償。當介質(zhì)的聲阻抗改變時(shí)，輻射器的輸出隨之改變，其輸出變化如下：如聲速增加時(shí)α角減小，則能流密度增大；輸入到放大器輸入端的電壓將與能流密度成正比。因為α角的減小會(huì )使此電壓降低，而液體的密度和能量的增大都會(huì )使該電壓升高，所以此電壓與聲波傳播速度的變化關(guān)系很小。此外，由于與聲速成正比的波長(cháng)的變化，輻射器的指向性圖象發(fā)生銳度變化，從而降低了測量的精確度。因為這方面的詳細研究超出本文范圍，我們只討論下面的具體例子：

    對于10%的NaCl溶液，ρ=1.0707g/cm³，c=1470m/s；對于20%的NaCl溶液，ρ=1.1478g/cm³，c=1650m/s。計算結果指出：在后一種情況下，放大器的電壓變化只有8.5%，而聲速的變化為22%。通過(guò)內插法，則在聲波傳播速度變化2.5%時(shí)測量精度為±1%。

    對于聲阻抗和聲速非常特殊的介質(zhì)的流量測定，則應以?xún)x表的另一種刻度來(lái)讀出流量。

    上述流量計在極不均勻的介質(zhì)中或是它們的尺寸很大時(shí)，以及在管道內流動(dòng)介質(zhì)有突變的可能性的情況下，均不適用。

    超聲流量計經(jīng)過(guò)實(shí)驗試用，在該流量計中曾采用厚度為1mm、共振頻率為2.86MHz、表面有效面積為1cm²的X—石英片作輻射器和接收器，輻射器與接收器之間的距離為80mm。輻射器的輸入電壓約為6V。應用這種流量計可以測出每秒十分之幾毫米的速度。

    參考文獻

    [1] 菊池喜充.超聲探傷法[M].廣州：廣東科技出版社.1981.
    [2] 川西欲郎，小官勤一，山崎弘郎.流量測量手冊[M].北京：計量出版杜，1982.
    [3] J.szilard.超聲波檢測新技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版杜，1991.