超声流量计的原理及应用.docx

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超声流量计的原理及应用

梧州学院课程论文

（2014-2015学年第一学期）

超声流量计的原理及应用

目录

摘要……………………………………………………………………………………….1

1.超声流量计的原理及特点…………………………………………………………..…2

1.1传播时间法……………………………………………………………………………3

1.1.1流速方程式………………………………………………………………………….3

1.1.2流量方程式…………………………………………………………………………..4

1.1.3直接时差法…………………………………………………………………………..4

1.1.4频率差法……………………………………………………………………………..5

1.1.5相位差法……………………………………………………………………………..6

1.2多普勒效应法…………………………………………………………………………..7

2.超声流量计的组成……………………………………………………………………….9

3.选用与安装事项………………………………………………………………………...10

3.1测量原理的选择………………………………………………………………………10

3.2注意事项……………………………………………………………………………….11

4.超声流量计的应用前景………………………………………………………………...12

参考文献………………………………………………………………………………..…13

超声流量计的原理及应用

摘要：

最近几年，随着石油和天然气工业的强势增长，以及行业对于现场设备技术的逐步接受，超声波流量计的全球市场总额将在未来几年内高速的年增长率增长。

超声波流量计正快速发展成为流量测量领域，尤其是计量碳氢化合物的首选。

那什么是超声流量计呢?

超声流量计是通过检测流体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量体积流量的仪表。

超声流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表，适用于不易接触和观察的流体以及大管径流量的测量。

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

而超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有波长短、频率高、绕射现象小等特点，特别适用于方向性好、射线稳定的检测。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

最重要的是，超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

下面我们来讨论一下超声流量计的测量。

关键词：

流量测量；超声流量计；多普勒效应

一、超声流量计的原理及特点

超声波流量计的基本原理是超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息，可以通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。

超声流量的测量方法是各式各样的，根据测量原理可以分类为：

传播时间法；多普勒（效应）法；波束偏移法；相关法；噪声法。

使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响，是一种理想的节能型流量计。

如图1所示，在被测官道上、下游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中（F1，T1）的超声波是顺流传播的，而（F2，T2）的超声波是逆流传播的。

根据这两束超声波在流体中传播的速度不同，采用测量两接收探头上上传播传播的时间差、相位差或频率差等方法，可测量出流体的平均速度及流量。

图1超声流量计的原理

超声流量计可做非接触测量；无流动阻挠测量，无额外压力损失；适用于大型圆形管道和矩形管道；多普勒超声流量计可测量固相含量较多或含有气泡的液体；超声流量计可测量非导电性的液体，在无阻挠的流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。

更简单地说，超声流量计就是超声波传感器。

其最大特点是：

探头可装在被测管道的外壁，实现非接触测量，既不干扰流场，又不受流场参数的影响。

其输出与流量基本上成线性关系，精度一般可达±1%，其价格不随管道直径的增大而增加，因此特别适合大口径管道和混有杂质或腐蚀性液体的测量。

另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。

1.传播时间法

声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。

利用传播速度之差与被测流体流速的关系求取流速，称之为传播时间法。

按测量具体参数不同，又可分为时差法、相位差法和频差法。

（1）流速方程式

如图2所示，超声波顺流从换能器A发送到换能器B的传播速度c被流体流速vm所加快，在管道中流动的速度进行矢量分解为

vAB=c+vmXsin⊙

反之，超声波逆流从换能器B传送到换能器A的传播速度则呗流体流速vm减慢，在管道中流体的速度进行矢量分解为

vAB=c-vmXsin⊙

从而有流体在两个传送探头之间传播的路程为

LAB=LBA=D/cos⊙

图2传播时间法工作原理

（2）流量方程式

在得到流体流速vm后，就可以计算出管道中流体的流量qv，即qv=vmXS,其中S为管道的内径对应的面积。

传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速，而计算流量所需的是流通横截面的面平均流速，二者的数值是不同的，其差异取决于流速分布状况。

因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。

（3）直接时差法

直接时差法的基本工作原理如图3所示。

由于超声波在流体中传播时，顺流传播速度和逆流传播速度不同，可以通过测量超声波的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值，从而计算出流体的流速和流量。

设精致的流体中的声速为c，流体的流动速度为v。

把一组传感器P1、P2与管道轴线安装成⊙角，两个传感器的距离为L。

则从P1到P2顺流发射时，声波的传播时间为

t1=L/（c+vcos⊙）

从P1到P2逆流发射时，声波的传播时间为

t2=L/（c-vcos⊙）

一般情况下c>>v,则时差△t=t1-t2=2Lvcos⊙/c2。

根据式中可求出v，并可求出流量Q。

图3直接时差法的工作原理

（4）频率差法

频率差法与时间差、相位差相比不受温度变化的影响，因而得到广泛的应用。

其原理如图4图、5所示。

F1、F2是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过电子开关的控制，交替地作为超声波发射器和接收器使用。

首先由F1的发射出一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射第二个超声脉冲……,设在一个时间间隔t1内，F1共发射了n1个脉冲，脉冲的重复频率f1=n1/n2。

在紧接下去的另一个相同时间间隔t2（t2=t1）内，与上述过程相反，由F2发射超声脉冲，而F1做接收器。

同理，可以测得F2的脉冲重复频率为f2。

经推导，顺流发射频率f1与逆流发射频率f2的频率差f为：

f=f1-f2。

图4频率差法测流量的原理

图5频率差法测流量的原理

（5）相位差法

在时差法的测量中，时间差△t的量级很小，约为10-8~10-9s。

测量△t需要很复杂的电子仪器，所以常用测量连续超声波在顺流和逆流传播时接收信号之间的相位差的方法，简称相差法来实现。

设连续波的角频率为w,则

△ø=w△t=2wlvcos⊙/c2

因此，测出△ø，即可求出v、Q。

2．（多普勒（效应）法

多普勒（效应）法超声计是利用静止点检测来自移动原发射波而产生多普勒频移现象原理，多普勒频移正比于两者之间的相对速度。

多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。

（1）流速方程式

如图6所示。

超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射局域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为

fA=fB（1-2vcos⊙/c）

式中，v为散射体运动速度。

多普勒频移fd正比于散射流动速度，即测量对象确定后，式中右边除v外均为常量，整理后得

v=cfd/（2cos⊙fA）

图6多普勒法超声波流量计原理图

（1）散射体的影响

实际上多普勒频移信号；来自速度参差不齐的散射体，而所测得各散射体速度和载体液体平均流速的关系也有差别。

气体参量如散射粒度大小组合与流动时分布状况、散射体流速非轴向分量、声波呗散射体衰减程度等均影响频移信号。

二、组成

超声流量计主要由安装在测量管道上的超声换能器（或由换能器和测量管组成的超声流量传感器）和转换器组成。

转换器在结构上分为固定盘装式和便携式两大类。

换能器和转换器之间由专用信号传输电缆连接，在固定测量的场合需在适当的地方装接线盒。

夹装式换能器通常还需配用安装夹具和耦合剂。

如图7所示，是系统组成示意图，此例是测量液体用传播时间法单声道透过式传输流量计。

图7传输流量计组成

三、选用与安装事项

1.测量原理的选择

选择液体用超声流量计首先考虑测量原理是传播时间法还是多普勒法，其主要判断要素是：

液体洁净程度或杂质含量和测量精度要求。

基本适用条件见表1。

表1超声流量计的基本适用条件

条件

传播时间法

多普勒法

适用液体

水类（江河水，海水等），油类（纯净燃油，润滑油等），化学剂，药液等

含杂质多的水（农业用水等），浆类（泥浆，矿浆，化工料浆等），非净燃油等

适用悬浮颗粒含量

体积含量<1%（包括气泡）时不影响测量准确度

浊度>5~100mg/L

仪表基本误差

带测量管段式

±（0.5~1）%R

±（3~10）%FS固体粒子含量基本不变时±（0.5~3）%

湿式大口径多声道

湿式小口径单声道

±1.5%R~±3%

夹装式（测量范围20:

1）

重复性误差

0.1%~0.3%

1%

信号传输电缆长度

100~300m，能在保证信号质量的前提下，可以小于100m

<30m

价格

较高

较低

2.注意事项

（1）超声流量计的传感安装处必须避开接口和焊缝。

（2）传感器工作面与管壁之间保持有足够的耦合剂，不能有空气和固体颗粒，以保证耦合良好。

（3）除去安装在段内保温层和保护层，并把换能器安装处的壁面打磨干净。

避免局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。

（4）安装本类流量传感器时，官网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。

（5）连接流量传感器的管道内径必须与流量传感器相同，其差别应在±1%以内。

（6）流量计上的传感器尽可能在与水平直径成45°的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。

否则在测量液体时，换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。

（7）测量液体时安装位置必须充满液体。

（8）上下游应有必要的直管段。

四、超声流量计的应用前景

随着工业的发展及节能工作的开展，各式各样的传感器的不断发明和改进，检测控制系统的传感器和检测技术手段的日新月异，都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。

最近几年，由于煤油混合、煤水泥合燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，几乎为超声流量计这种产品的使用带来了许多的很好的效应。

超声波流量计在这一领域的销量比起以前将近翻了一倍。

由于AGA9监护运输标准的推广，天然气的监护运输市场已经基本成形。

不论是从技术上还是从经济上看，超声波测量仪器都是流量测