超聲波多普勒流量計的設計原理

    引言
    流量計在工業(yè)上，如石油、化工、水電等部門(mén)的用途十分廣泛，是對液體流量檢測必不可少的設備。傳統流體流量計按工作方式主要有機械式、電阻式、電磁式、渦流式等類(lèi)型。這些流量計一般精度較低，測量范圍較小，特別在一些不能將探頭置入測液體的特殊場(chǎng)合，根本無(wú)法使用。
    超聲波流量計作為一種新型的非接觸式流量計，不僅安裝方便，測試操作簡(jiǎn)單，維修便捷，而且由于是非接觸測量，不會(huì )象傳統流量計那樣影響被測流體流速。采用多普勒法的超聲波流量計，不僅可以進(jìn)行兩相流的測量，而且分辨率高，對流速變化響應快，對流體的壓力、粘度和溫度等因素不敏感[1]，但由于精度較低，其應用受到很大影響。若采用DSP處理器作為超聲波多普勒流量計的核心測量控制器，輔以數字信號處理技術(shù)，可使超聲波多普勒流量計的測量精度得到大幅度的提高。
    超聲波多普勒流量計的設計原理
    超聲波多普勒流量計的測量原理是以物理學(xué)中的多普勒效應為基礎的。根據聲學(xué)多普勒效應，當聲源和觀(guān)察者之間有相對運動(dòng)時(shí)，觀(guān)察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率，這個(gè)因相對運動(dòng)而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。
    分別將超聲波的探頭放置在待測流體管道的兩側，一個(gè)發(fā)射連續的超聲波信號，另外一個(gè)接收。當流體中存在懸浮粒子時(shí)，接收的超聲波信號由于多普勒效應，其頻率與發(fā)射的超聲波信號會(huì )存在一個(gè)頻率差，根據此頻率差即可計算出流體的流速[2]。
  
    如圖一所示，當超聲波束在管軸線(xiàn)上遇到一顆固體粒子，該粒子以速度u沿管軸線(xiàn)運動(dòng)。對超聲波發(fā)射器而言，該粒子以速度u cos α離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2為：
     
     式中：f1 ——發(fā)射超聲波的頻率；
      α——超聲波束與管軸線(xiàn)夾角；
      c ——流體中聲速。

    固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以u cosα的速度離開(kāi)接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3為：      

    將f2的表達式代入上式可得： 

    接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之間的頻率差，即多普勒頻移Δ f為：

    由于超聲波的速度遠大于流體流速，所以上式可寫(xiě)成

    由上式可得流體流速為：   

    體積流量為：

    ，其中A 為被測管道流通截面積。

    由以上流量方程可知，當流量計、管道條件及被測介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測量頻移Δ f 就可以得到流體流量qv。