時(shí)差法超聲波流量計原理及應用案例

    1、引言
    超聲波流量計主要用于氣體、液體和蒸汽的體積流量測量，在冶金、化工、食品加工、標準計量等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。超聲波流量計已有幾十年的歷史，在原理上主要利用多普勒效應法和時(shí)差法。多普勒效應法需要流體中含有反射物質(zhì)，主要應用于兩相流體的檢測，此處主要探討時(shí)差法檢測。
    2、時(shí)差法原理
    超聲波有兩個(gè)重要的特性：定向性，它頻率高且短，可以象光波一樣沿直線(xiàn)傳播；可以在氣體、液體、固體中傳播。所以大部分流體介質(zhì)都能用超聲波原理檢測。它的測量方法可簡(jiǎn)單比喻為在河流上渡船擺渡的過(guò)程，順流擺渡渡船到達對岸所需的時(shí)間要比逆流的少。河流的流速越大，順流的速度越快，而逆流所需的時(shí)間越長(cháng)。順流和逆流所需時(shí)間的時(shí)間差直接與河流的流速有關(guān)。在超聲波流量計中超聲波好比渡船，河流流速等于流體的流速。電聲變換器發(fā)送和接受的短促聲脈沖信號穿過(guò)管道中流動(dòng)的介質(zhì)。兩個(gè)變換器分別安裝在縱向有偏移的測量管道兩側。這時(shí)超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差與流體的流速成正比。時(shí)差法原理如圖1所示。
    2.1時(shí)間信號的檢測方法
    在時(shí)間檢測過(guò)程中，控制發(fā)送的壓電脈沖和處理接收信號的測量變送器必須保證有很高的時(shí)間分辨率。檢測方法經(jīng)歷了過(guò)零點(diǎn)檢測、相關(guān)測量分析以及抗干擾能力和測量精度有很大改善的復雜數字信號處理等階段。
    2.2發(fā)送器和接收器的原理
    超聲波發(fā)送器的種類(lèi)很多，大致可分為機械和電聲兩大類(lèi)。在超聲波流量計中通常使用電聲型發(fā)送器。
    電聲型超聲波發(fā)送器把電磁能量轉換為機械波的能量。這種能量轉換通過(guò)電聲換能器完成。電聲轉換器的作用是將高頻電源的電磁振蕩能量轉換為機械振動(dòng)能量發(fā)出超聲波。最常用的為壓電式，壓電式換能器使用逆壓電效應產(chǎn)生超聲波，從幾十千赫到幾十兆赫，非常適合工業(yè)使用。
    2.3多聲道檢測
    根據介質(zhì)的雷諾系數，流體可分為層流和紊流。雖然在基本原理中超聲波流量計采用理想的平均速度進(jìn)行計算，但實(shí)際上波速和流速在微觀(guān)上形成合成速度的關(guān)系很復雜，很難采用簡(jiǎn)單平均的方法進(jìn)行計算。
    為了精確地測量與雷諾系數無(wú)關(guān)的流量值，自1978年以后就采用雙聲道測量法，測量精度大大提高。在粘度已知的條件下從層流向紊流的過(guò)渡過(guò)程中，雙聲道超聲波流量計的示值相對測量誤差可達到0.5％。
    雖然雙聲道方法使測量精度得到提高，但未能區別出流速所處的狀態(tài)，為了進(jìn)一步提高測量精度，現在多聲道測量法被越來(lái)越多地使用，它能更詳細地描述流速分布曲線(xiàn)形狀，以便對測量精度進(jìn)行補償。從層流到紊流狀態(tài)過(guò)渡時(shí)，它的允許示值相對測量誤差可達到±0.15％。
    3、特點(diǎn)
  （1）信號自動(dòng)跟蹤，溫度自動(dòng)補償，因此運行穩定、可靠。
  （2）屬于非接觸性測量，安裝方便，不損壞管道，并且能廣泛地應用于水、氣、酸、堿等介質(zhì)。
  （3）結構簡(jiǎn)單，維護量小。
  （4）無(wú)節流部件，沒(méi)有壓損，有利于節約能源。
    3 安裝要求
  （1）選擇充滿(mǎn)流體、易于超聲波傳輸的管段，如垂直管段（流體向上流動(dòng)）或水平管段。
  （2）安裝距離應選擇上游大于10倍直管徑、下游大于5倍直管徑以?xún)葻o(wú)任何閥門(mén)、彎頭、變徑等均勻的直管段，安裝點(diǎn)應遠離泵、高壓電和變頻器等干擾源。
  （3）充分考慮管內壁結垢狀況，盡量選擇無(wú)結垢的管段進(jìn)行測量。實(shí)在不能滿(mǎn)足時(shí)，需把結垢考慮為襯里以求較好的測量精度。
  （4）要保證測量點(diǎn)處的溫度和壓力在傳感器可工作范圍以?xún)取?BR>  （5）2個(gè)傳感器必須安裝在管道軸面的水平方向上，并且在軸線(xiàn)水平位置±45°范圍內，以防止上部有不滿(mǎn)管、氣泡或下部有沉淀等現象影響傳感器正常測量。
    4、結語(yǔ)
    隨著(zhù)電子技術(shù)的迅速發(fā)展、超聲波技術(shù)的普及、成本的下降和可靠性的提高，不論是技術(shù)方面還是經(jīng)濟方面，超聲波測量?jì)x器都是流量測量的理想選擇。