基于超聲檢測的動(dòng)態(tài)流量測試技術(shù)研究

    0 引言

    超聲波在流體中傳播時(shí)，可以加載上流體中的一些信息，其中最主要的也是人們最關(guān)心的就是流動(dòng)速度^[1]。眾所周知，由于紊流的機理目前還不是十分的清楚，大多停留在半經(jīng)驗公式的水平，還沒(méi)有很有效的動(dòng)態(tài)流量測量方法。

    與其他流量計相比，超聲波流量計是無(wú)插入件式的間接測量結構，這樣就不會(huì )對流體的流動(dòng)速度產(chǎn)生直接的影響。而且由于它的聲波頻率為1000HZ以上，比流速脈動(dòng)頻率大得多，所以對其進(jìn)行頻率分析也很有效。由于其無(wú)插入件式結構形式，且反應迅速，可用于動(dòng)態(tài)流量的測量，被專(zhuān)家們稱(chēng)為21世紀的綠色環(huán)保流量計^[2]，有很大的發(fā)展潛力。

    按信號檢測方法，超聲波流量計可分為傳播速度差法、多普勒法、相關(guān)法、波束偏移法、旋渦法等，其中前三種較為常用。一般地說(shuō)，超聲波流量計測量的是體積流量值，大多由超聲波換能器、電子線(xiàn)路及流量顯示和積算系統三部分組成。

    1 基于超聲檢測的動(dòng)態(tài)流量測量

    1.1 傳播速度差法

    該類(lèi)流量計可細分為時(shí)差法、相差法、頻差法。

    （1）時(shí)差法

    超聲波在流體中傳播時(shí)，由于流動(dòng)的流體和靜止的流體平均流速間的差異，造成超聲波的傳播速度發(fā)生變化。

    如圖1所示，超聲波順、逆向傳播時(shí)，其傳播時(shí)間為

    （2）相位差法

    相位差法是利用時(shí)差法中的超聲波的相位差與時(shí)間差的關(guān)系ΔΦ=2πfΔt （4）

    通過(guò)測量順、逆兩個(gè)方向接收波的相位差ΔΦ來(lái)實(shí)現平均流速v的測量。上式中，f為超聲波的發(fā)射頻率。

    （3）頻差法

    在時(shí)差法里速度的確定要受到聲速C的影響，C又受溫度等外界環(huán)境的影響，存在一定的誤差，所以需對其進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)頻率差進(jìn)行測量。其順、逆流的發(fā)射一接收頻率分別為

    f₁=（C+vcosθ）/L     （5）
    f₂=（C-vcosθ/L）     （6）
    其差值為Δf=2vcosθ/L （7）

    即 （8）

    由此，可通過(guò)測量多普勒頻差得到平均流速v。

    1.2 多普勒法

    多普勒超聲波流量計是利用聲波的多普勒效應進(jìn)行測量的，當發(fā)生器和接收器之間有相對運動(dòng)時(shí)，接收器所接收的聲波頻率與發(fā)射器所發(fā)出的聲波頻率之差與兩者之間的相對速度成正比。多普勒法適合有懸浮顆粒的臟污介質(zhì)的流量測量，它利用懸浮顆粒對發(fā)射波的漫反射，使其頻率發(fā)生偏移，偏移頻率Δf與平均流速成正比。

    Δf=f₂-f₁=2vf₁cosθ/C     （9）

    所以可通過(guò)測量Δf得到流速

    其中，C是聲波在流體中的傳播速度，r是散射粒子的平均運動(dòng)速度，θ是聲波傳播方向與流動(dòng)速度之間的夾角，其測量原理如圖2所示在一些特殊情況下，還有兩次折射、三次折射法^[3]。

    1.3 互相關(guān)法

    利用隨機函數的互相關(guān)理論在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中測量物體的移動(dòng)速度，是在上世紀60年代初開(kāi)始的。隨后， 英國、美國、德國等國家開(kāi)展了管道內流體流動(dòng)速度的相關(guān)測量研究，在70年代，相關(guān)流量測量技術(shù)迅速發(fā)展。80年代中后期，對這方面的研究又轉到隨機信號相關(guān)理論、流場(chǎng)變化對傳感器的作用、流動(dòng)噪聲信號的提取與處理、傳感器的設計等方面^[4]。

    當流體在管道內流動(dòng)時(shí)，其內部存在著(zhù)各種各樣的隨機擾動(dòng)，從而產(chǎn)生了與流動(dòng)狀況有關(guān)的流動(dòng)噪聲信號，并具有一定的統計特性。當超聲波在流體中傳播時(shí)，流動(dòng)噪聲信號對超聲波會(huì )產(chǎn)生幅值、相位和頻率的調制^[5]。因而，穿越管道后得到的超聲波信號中加載了流動(dòng)噪聲的信號，也就攜帶了流速的信息。

    在超聲波互相關(guān)流量計中，關(guān)鍵的問(wèn)題是提取噪聲信號和互相關(guān)函數的確定。因為噪聲信號里包含了流速的信息，所以對它的提取就顯得非常重要，但是哪個(gè)噪聲信號能更準確地反映流速的變化，這是人們普遍關(guān)注的。目前應用比較廣泛的是用對溫度變化敏感的熱絲測量上下游溫度噪聲^[6]，利用壓力傳感器測量上下游的壓力脈動(dòng)，用傳感器測量流體中電導的變化（即示蹤物濃度的變化）^[7]，以及直接利用兩組超聲波收發(fā)裝置來(lái)提取兩個(gè)相關(guān)波形進(jìn)行處理等方法。測量原理如圖3所示，圖中互相關(guān)函數為

    對提取的信號進(jìn)行加工處理的目的是得到渡越時(shí)間τ0利用公式

    v=L/τ₀     （12）

    得到平均流速v。

    1.4 波束偏移法

    超聲波在流體中傳播時(shí)，波束會(huì )隨流動(dòng)方向發(fā)生偏移。當超聲波束與管道垂直時(shí)，這一偏移更加明顯。所以利用波束偏移法時(shí)，一般超聲波束都是垂直發(fā)射，超聲波束的偏移是以接收換能器所接受的波束強度的差值變化來(lái)反映的。測量原理如圖4所示，有如下關(guān)系

    tgθ=v/C       （13）

    1.5 旋渦法

    如圖5所示，換能器A發(fā)射一束連續等幅的超聲波，穿過(guò)流體到達接收換能器B，由于流體的運動(dòng)使信號發(fā)生改變。在流體靜止時(shí)，流體中無(wú)旋渦，B收到的仍是等幅的超聲波；當流體運動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的旋渦運動(dòng)速度幾乎與流體運動(dòng)速度相等，超聲波穿越流體時(shí)。波束被旋渦折射、反射，使B收到的信號被調制，根據調制后信號的頻率，可以知道流體的流動(dòng)速度。

    1.6 瞬態(tài)流量Q的確定

    瞬態(tài)體積流量與平均流速間有如下關(guān)系Q=Av_平     （14）

    其中，A為流道截面積，v_平是截面平均速度。

    以上的各種測量方法中測得的v是直徑平均流速，根據大量實(shí)驗獲得的經(jīng)驗，v_平與v之間一般成線(xiàn)性關(guān)系v_平=Kv   （15）

    轉換系數K需要用標準流量計在同工況下實(shí)測進(jìn)行標定來(lái)確定。

    2 超聲波流量計的優(yōu)點(diǎn)

    超聲波流量計以其獨特的優(yōu)點(diǎn)在工程實(shí)踐中得到廣泛的應用。其中速度差法原理簡(jiǎn)單但誤差較大；多普勒法適合有懸浮顆粒的流體測量；比較準確有效的互相關(guān)法中，信號的選取比較關(guān)鍵，換能器的靈敏度也直接影響測量結果；波束傳播法受流體的速度影響較大；旋渦法屬于插入法，會(huì )引入一定的誤差^[8]。

    概括起來(lái)，超聲波流量計有以下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）應用領(lǐng)域廣。解決了大管徑、大流量、明渠、暗渠等測量困難的問(wèn)題。安裝方便，性?xún)r(jià)比高。
    （2）對介質(zhì)幾乎沒(méi)有什么特殊的要求可以測量液體、氣體，甚至是兩相流或多相流介質(zhì)的流量。
    （3）非接觸式測量不破壞初始的流動(dòng)狀態(tài)，不引入誤差，無(wú)壓損，可測量腐蝕性、放射性介質(zhì)，對于食品、醫學(xué)用等高要求流體的測量也很有效。
    （4）超聲波流量計的測量準確度幾乎不受被測流體的溫度、壓力、濃度等參數的影響。
    （5）超聲波流量計的測量范圍寬，可測最大和最小流量之比一般可達20:1。

    3 結論及展望

    （l）超聲波流量計今后應該朝著(zhù)小型化、輕便易攜帶、低價(jià)格、響應快、適用范圍廣的方向發(fā)展隨著(zhù)相關(guān)基礎理論研究的不斷深入，以及傳感器精度、計算機運算速度的提高，為超聲波流量計的發(fā)展完善提供了理論和硬件的保證。
    （2）動(dòng)態(tài)流量測量，尤其是紊流狀態(tài)下的測量，是工程中的一大難題。因為超聲波流量計屬非接觸測量，具有慣性小、頻帶寬、測量范圍廣、誤差小等特點(diǎn)，可以較好地解決這一問(wèn)題。
    （3）基于超聲檢測的軟測量虛擬流量計是動(dòng)態(tài)流量測量的主要發(fā)展方向，軟測量利用計算機軟件，用容易測得的幾種輔助變更，來(lái)估計不可測量的主要變量，虛擬流量計是通過(guò)應用程序把計算機與功能化模塊硬件結合起來(lái)，用戶(hù)可以根據自己的需要定義、設計的新型流量計�；�于NI公司的Labview平臺的虛擬軟測量流量計具有很大的發(fā)展潛力。

    參考文獻