多普勒超聲流量計知識介紹

多普勒超聲流量計知識介紹

多普勒超聲流量計進(jìn)行流量測量所依據的原理是物理學(xué)中聲波的多普勒效應。多普勒效應可表述為：聲源和觀(guān)察者之間有相對運動(dòng)時(shí)，觀(guān)察者所感受到的音頻不同于聲源發(fā)出聲波時(shí)的音頻。聲源和觀(guān)察者因相對運動(dòng)而發(fā)生的變化一一多普勒頻移，正比于兩者之間的相對速度。

多普勒超聲流量計適用于測量?jì)上嗔鞯那闆r，另一方面，它也只適用于被測流體中有足夠的具有反射聲波本領(lǐng)的顆粒的場(chǎng)合。

多普勒超聲流量計既有一般超聲流量計所具有優(yōu)點(diǎn)，傳感器可安裝管外，無(wú)流動(dòng)壓損，不破壞流場(chǎng)，安裝、維護時(shí)不影響生產(chǎn)過(guò)程等，而且在測量中響應靈敏、分辨率高，不易受被測流體的狀態(tài)參數和物性參數等因素的影響，沒(méi)有零點(diǎn)的漂移。但它的測量準確度易于受流體中的顆粒的濃度、顆粒的大小、流動(dòng)狀態(tài)等因素的影響，因而，在投入使用安裝前予先進(jìn)行準確的調校比較困難，對于有一定準確度的測量，需要進(jìn)行現場(chǎng)校準。在校準后，如測量的條件不變，它的重復性還是相當好的，可達1%。準確度則在2%-5%之間，甚至更差。

9.3.1測量原理

由前述的多普勒效應可知，當發(fā)射出的超聲波射入流動(dòng)中的流體，并被隨流體一起運動(dòng)的顆粒所反射而到達接收換能器時(shí)，接收到的聲波與發(fā)射的聲波之間的頻率差，正比于流體中顆粒的運動(dòng)速度，即流體的運動(dòng)速度，因而只要將平均流速與流通截面積相乘即可得體積流量。

從原理上講，隨流體一起運動(dòng)的許多顆粒都會(huì )引起多普勒頻移，所以多普勒超聲流量的測量原理可分為二步敘述。

1.由單個(gè)顆粒引起多普勒頻移

若被測的流體中只存在單個(gè)的顆粒反射聲波，顆粒以與流體相同的速度U運動(dòng)，令發(fā)射換能器為T(mén)，接收換能器為R，靜止流體中的聲速為c，發(fā)射頻率為f₁，則由于顆粒的漫反射而進(jìn)入接收換能器的超聲頻率f₂可表述為

式中，θ1、θ2分別是聲波發(fā)射方向、反射方向與流體流動(dòng)方向的夾角。

當c>>u時(shí)，

在θ₁=θ₂ =θ的情況下，

即多普勒頻移Δf為

此式反映了多普勒頻移與流速U成正比。

2.多個(gè)顆粒的情況

在許多小顆粒與流體一起運動(dòng)的情況下，如圖9-18所示，超聲波接收換能器R所接收的是從照射域(發(fā)射換能器與接收換能器的有效指向角的交叉區域)內的顆粒產(chǎn)生的散射波的合成。當照射域中流體內顆粒的分布均勻、顆粒沿軸向運動(dòng)等條件符合時(shí)，照射域的平均流速u(mài)可以表示為

式中 K為比例常數，ω=2πΔf，Δf為各個(gè)顆粒具有的多普勒頻移，S(ω)是照射域內的所有顆粒所形成的功率譜線(xiàn)密度。只要求得S(ω)就可以求出平均流速。

對于照射域內具有許多顆粒的反映情況，另外還有一種較為簡(jiǎn)單的表述方法，那就是采用下式所表示的平均多普勒頻移

式中 Ni，(Δfi)為照射域中產(chǎn)生多普勒頻移Δfi的粒子數；Δfi為照射域內任一顆粒產(chǎn)生的多普勒頻移。

這同樣也表達了，在照射域內顆粒產(chǎn)生的散射波的合成應是接收換能器所接收的信號反射。在這種情況下，當流通截面積為A時(shí)，從式(9-15)可知，流量可表示為

由于C是流體中的聲速，易受溫度的影響，所以，實(shí)際上在引入聲楔后，令聲束在聲楔中速度為C₁，如圖9-19，根據折射定律

得到

若是照射域處于管道內部的某一空間位置時(shí)，當雷諾數Re或管道條件改變時(shí)，平均流速的區域位置也將有所變化，流體中顆粒的速度也隨之變化，作為反射結果的多普勒頻移就不可能正確地表達出平均流速。因此在流量計算公式中需引人流速修正系數K，式(9-20)可由下式替換

9.3.2多普勒超聲流量計結構形式及測量方式

多普勒超聲流量計主要由兩部分組成：一部分為換能器；信號處理、檢測及顯示構成了另一部分。

1.換能器

在利用多普勒效應進(jìn)行流量測量時(shí)，換能器的結構形式和材質(zhì)性能是很重要的，換能器直接影響流量計測量的準確度，它的組成有晶片(超聲波振子)、聲楔等。

換能器的形式主要有兩種，如圖9-18所示的方式通�？梢宰龀蓭�測量管式的流量計。而圖9-20所示的為收發(fā)一體結構的超聲換能器。對于前者，接收換能器與發(fā)射換能器應保證其對稱(chēng)性，這樣能夠使照射域處于管道的中心部位，易于準確測量中心區域的流速而獲得修正。由于測量管與聲楔、晶片的相對位置穩定，流量計只要直接安裝即可。后者的接收換能器與發(fā)射換能器的相對位置也是固定的，但是為了保證超聲波的照射域處于管道內部(甚至盡量處于中間部位)以獲得準確的測量，必須對這種收發(fā)一體的換能器的使用范圍有所了解。

2.信號測量方法

應用多普勒效應進(jìn)行流速測量已有了連續波、脈沖波、M系列調制波等方法，但基本上都處于研究階段，尚未在計量領(lǐng)域廣泛地得到應用，而現在實(shí)際應用的僅是連續波法的零交叉方式。所謂零交叉法就是把不規則信號的振幅為零的頻率，在一定時(shí)間間隔內進(jìn)行計數，并討論該信號的統計性質(zhì)，如平均頻率。如圖9-21中，多普勒信號波型就是一連續提型，零交叉法就是對振幅為零的交叉點(diǎn)個(gè)數在一運時(shí)間內進(jìn)行統計。

多普勒超聲流量計的流量計的信號檢測的方式主要有通過(guò)混頻或直接耦合獲得多普勒頻移這樣兩種方法。

(1)混頻方式

圖9-21給出了一種采用了混頻方式進(jìn)行測量的流量計測量過(guò)程。具有2MHz的石英振蕩器的振蕩部分所產(chǎn)生的連續波在電信號發(fā)射部分進(jìn)行電放大，由發(fā)射換能器發(fā)射連續超聲波至流體；而在接收換能器中收到的信號是與粒子速度成正比的產(chǎn)生多普勒頻移的散射波與一部分直接收到的原發(fā)射頻率，把接收信號放大，再把它與從本振部分來(lái)的連續混頻再檢，當用濾波器取出低頻成分時(shí)，就得到了多普勒頻移。但這個(gè)多普勒頻移的零交叉頻率與照射域的平均流速沒(méi)有成正比，所以只有在照射域有限小時(shí)，才有測量的意義，即測量管中心軸上的流速，因而在利用這種方法測量時(shí)應該對管內的流速分布進(jìn)行修正。

(2)直接耦合方式

不采用了混頻器，而利用直接耦合方式進(jìn)行拍頻同樣可以獲取多普勒頻移信號，圖9-22所示為直耦方式檢測的線(xiàn)路原理。在所謂收發(fā)一體結構的換能器中，發(fā)射信號f₁一部分到流體中傳播，一部分直接耦合到接收晶片，而接收換能器中的直耦信號與顆粒反射信號都是小振幅波，滿(mǎn)足線(xiàn)性疊加原理，因此接收換能器上總聲壓是直耦信號、顆粒反射信號的聲壓之和，總聲壓的振幅是多普勒角頻率的函數。由于對收發(fā)一體結構的換能器，直耦信號一般均大于反射信號，拍頻信號很弱，需要進(jìn)行必要的選頻放大。在放大反射信號的同時(shí)，為了保證一定的信噪比。應使直耦信號具有合適的大小匹配，而這是換能器的制造工藝所決定的。