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多普勒超聲波流量計基本原理及應用
1 引言
超聲波流量計是通過(guò)檢測流體流動(dòng)對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表。根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法（直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。超聲流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無(wú)阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問(wèn)題的一類(lèi)流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)它是發(fā)展迅速的一類(lèi)流量計之一。
2 多普勒超聲波流量計工作原理
多普勒超聲波流量計可用聲波或頻率高于20kHz的振動(dòng)探測管道的流量。按照設計需要，產(chǎn)品可利用管道周邊安裝的浸濕性或未浸濕性變送器耦合管道內流動(dòng)體的超聲波能量。
附圖 多普勒超聲波流量計工作原理圖
多普勒超聲波流量計為利用多普勒效應工作。如附圖所示，其通過(guò)對流體中顆粒與氣泡的反射，使得傳輸頻率被線(xiàn)性改變。其最終結果是發(fā)射器與接收器頻率之間的轉換，該值與流速存在直接關(guān)系。多普勒流量計是因奧地利物理學(xué)家和數學(xué)家Christian Johann Doppler（1803～1853）而得名，多普勒在1842年預言接收的聲波頻率取決于聲源或者與傳播媒介相關(guān)的觀(guān)測器的運動(dòng)。為采用多普勒效應測量管道內的流量，其變送器可把0～0.5MHz的超聲波轉換成流體（參看附圖）。流經(jīng)此管道的液體必須包含聲音反射材料如固體顆�；蛘弋a(chǎn)生的汽泡，這些材料的運動(dòng)可改變二次反射后到另一個(gè)接收轉換器上的光波頻率。這種頻率變化與管道內材料的流動(dòng)速度成線(xiàn)性正比，因此可用于形成一個(gè)與流速成正比的模擬或數字信號。
定義多普勒流量計的基本方程如下：
再通過(guò)Snell定律：
因此，從方程（1）和（2）我們可推出：
方程（3）清楚地表明：流體速度與多普勒頻率變化具有線(xiàn)性函數關(guān)系�，F在由于管道的內徑D已知，采用如下方法可測量單位體積的流速V（如每分鐘的加侖數）：
V = K × VF × D2 (4)
其中，K是與VF和D單位有關(guān)的常數。
一臺多普勒流量計可把發(fā)射和接收變送器安裝到同一個(gè)外殼內，附于管道的一邊。流動(dòng)液體中的反射體可將發(fā)射器的信號返回到接收器，其頻率變化與流動(dòng)速度成正比；當兩個(gè)變送器被分別安裝在管道的相反兩邊，結果一樣。
3 多普勒超聲波流量計工作特點(diǎn)
（1）優(yōu)點(diǎn)
◆ 可做非接觸式測量；
◆ 為無(wú)流動(dòng)阻撓測量，無(wú)壓力損失；
◆ 可測量非導電性液體，對無(wú)阻撓測量的電磁流量計是一種補充。
（2）缺點(diǎn)
◆ 多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體；
◆ 多普勒法測量精度不高。
（3）應用概況
◆ 氣體應用方面在高壓天然氣領(lǐng)域已有使用良好的經(jīng)驗；
◆ 多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體，例如：未處理污水、工廠(chǎng)排放液、臟流程液，通常不適用于非常清潔的液體。
4 多普勒超聲波流量計應用注意事項
最基本注意事項是仔細閱讀制造商的操作說(shuō)明書(shū)。超聲波流量計的早期問(wèn)題可能是由于（至少不排除），用戶(hù)不理解某些基礎步驟的重要性，如變送器在管道上的正確安裝。無(wú)論何種情況下（如管道溫度出現劇烈變化或非常規振動(dòng)），都必須保持管道對聲波的耦合及變送器的相關(guān)調整。
運用多普勒和時(shí)差流量計顯示實(shí)際的單位體積流速時(shí)，被測管道的流體必須一直是滿(mǎn)的。然而，如果兩個(gè)變送器都安裝在管道內的流體表面以下，多普勒流量計也能連續顯示部分管道充滿(mǎn)流體的流速。
絕大部分生產(chǎn)商都說(shuō)明了儀表與上游和下游的閥、T形架、泵以及類(lèi)似物之間的最小距離。而且一般都以管道直徑表示，通常上游應為10~20直徑，下游為5直徑。
另一方面，多普勒流量計的功能取決于流動(dòng)液體中的反射物。因此，為得到可靠的測量數據，必須注意有關(guān)固態(tài)顆�；驓馀莸臐舛群统叽绲南孪�。而且，流體速度還必須足夠快以保證上述材料處在懸浮狀態(tài)，生產(chǎn)商將提供典型速度數值規范：如固態(tài)為6ft/s（1.8m/s）、而小氣泡為2.5ft/s（0.75m/s）。在過(guò)去的幾年中，多普勒流量計的一些供應商已推出了一些在1MHz以上頻度下工作的產(chǎn)品型號。這些產(chǎn)品要求在明凈的液體中工作，因為其反射是在流體中的漩渦情況下發(fā)生。然而，如果有警告說(shuō)明，是提醒用戶(hù)限制該技術(shù)用于較低濃度的氣泡和顆粒情況。因為在超聲波流量計的操作過(guò)程中，測量所需的能量?jì)H通過(guò)部分測量的液體，Reynolds數（流體中慣性力與粘力的比率）會(huì )影響流量計的性能。例如，按上述的規定說(shuō)明操作時(shí)，有些多普勒流量計和時(shí)差流量計要求的最小Reynolds數分別為4000和10000。此處需強調的是，因為上述限制的原因，需要特別注意廠(chǎng)商說(shuō)明書(shū)在這方面的指導。
5 結束語(yǔ)
超聲波流量計發(fā)展到今天雖然已日趨成熟，但其都有其適用范圍，也都有局限性。這就要求我們：
（1）在選擇儀表時(shí)，一定要熟悉儀表和被測對象兩方面的情況，并要兼顧考慮其它因素，這樣測量才會(huì )準確；
（2）努力研制新型儀表，使其在現有的基礎上更加完善。
