超聲波測流量

1、 課程名稱：現(xiàn)代測試技術(shù)與數(shù)據(jù)處理論文題目： 超聲波測流量技術(shù)超聲波測流量技術(shù)目錄摘要21 引言22 測量原理22.1 時差法32.2 多普勒效應(yīng)法62.3 波束偏移法82.4 相關(guān)法82.5 噪聲法93超聲波量計的特點94常見各類超聲波流量計的應(yīng)用特征104.1多譜勒式超聲波流量計。104.2時差式超聲波流量計。115 超聲波技術(shù)測量流量的關(guān)鍵問題115.1 測量方向的選擇115.2 超聲波傳感器驅(qū)動信號的確定125.3 聲波的分辨與檢測技術(shù)135.4 信號范圍門的確定145.5 信號有效性的確定156 結(jié)束語15【參考文獻】17摘要超聲波流量計是通過檢測流體流動時對超聲束(或超聲脈沖)的作

2、用，以測量體積流量的儀表。文章主要討論用傳播時間法、多普勒效應(yīng)法測量封閉管道液體流量的工作原理。1 引言在工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常要對各種液態(tài)介質(zhì)的流量進行檢測，檢測數(shù)據(jù)作為工藝決策、過程控制，參數(shù)調(diào)整的依據(jù)，因此液態(tài)介質(zhì)的檢測的精度與方法對于生產(chǎn)工藝的優(yōu)劣和質(zhì)量的影響很大，上世紀70年代隨著電子技術(shù)的發(fā)展，性能日益完善的各種型號超聲波流量計投入市場，已成為流量檢測的主要檢測儀表。超聲波流量計是一種非接觸式流量計，它主要應(yīng)用在管道的外側(cè)測量管道內(nèi)液體流量，不需要切斷流體，安裝時小需要閥門、法蘭等，且安裝費低。超聲波流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計，是適于解決流量

3、測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點，近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。2 測量原理超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成，是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲設(shè)能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算，這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯(lián)動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加

4、阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。 超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔埽员銠z測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。 超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要

5、求強度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。封閉管道用超聲波流量計按測量原理分類有：時差法；多普勒效應(yīng)法；速差法；相關(guān)法；頻差法。2.1 時差法聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會增大，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間。利用傳播速度之差與被測流體流速之關(guān)系求取流速，稱之時差法。（1） 流速方程式如圖1所示，超聲波逆流從換能器1送到換能器2的傳播速度c被流體流速Vm所減慢，為：(1)反之，超聲波順流從換能器2傳送到換能器1的傳播速度則被流體

6、流速加快，為：(2)式（1）減式（2），并變換之，得(3)式中 L超聲波在換能器之間傳播路徑的長度，m;X傳播路徑的軸向分量，m; t12、t21從換能器1到換能器2和從換能器2到換能器1的傳播時間，s；c超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s;Vm流體通過換能器1、2之間聲道上平均流速，m/s。時（間）差法與頻（率）差法和相差法間原理方程式的基本關(guān)系為(4)(5)式中 f頻率差； 相位差； f21,f12超聲波在流體中的順流和逆流的傳播頻率； f超聲波的頻率。從中可以看出，相位差法本質(zhì)上和時差法是相同的，而頻率與時間有時互為倒數(shù)關(guān)系，三種方法沒有本質(zhì)上的差別。目前相位差法已不采用，頻差法的儀表

7、也不多。（2） 流量方程式傳播時間法所測量和計算的流速是聲道上的線平均流速，而計算流量所需是流通橫截面的面平均流速，二者的數(shù)值是不同的，其差異取決于流速分布狀況。因此，必須用一定的方法對流速分布進行補償。此外，對于夾裝式換能器儀表，還必須對折射角受溫度變化進行補償，才能精確的測得流量。體積流量qv為(6)式中 K流速分布修正系數(shù)，即聲道上線平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比，K=vm/v； DN管道內(nèi)徑。K是單聲道通過管道中心（即管軸對稱流場的最大流速處）的流速（分布）修正系數(shù)。管道雷諾數(shù)ReD變化K值將變化，儀表范圍度為10時，K值變化約為1；范圍度為100時，K值約變化2。流

8、動從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鲿r，K值要變化約30。所以要精確測量時，必須對K值進行動態(tài)補償。1） 夾裝式換能器儀表聲道角的修正 夾裝式換能器USF除了做流速分布修正外，必要時還要做聲道角變化影響的修正。根據(jù)斯那爾（Snall）定律式（7）和圖2，聲道角隨流體中聲速c的變化而變化，而c又是流體溫度的函數(shù)（以水為例，見圖3），因此，必須對角進行自動跟蹤補償，以達到溫度補償?shù)哪康摹?7)式中 0超聲在聲楔中的入射角；1、超聲在管壁、流體中的折射角；c0、c1、c聲楔、管壁、被測流體的聲速。角不但受流體聲速影響，還與聲楔和管壁材料中的聲速有關(guān)。然而因為一般固體材料的聲速變化比液體聲速溫度變化小一個數(shù)量級，在溫度

9、變化不大的條件下對測量精確度的影響可以忽略不計。但是在溫度變化范圍大的情況下（例如高低溫換能器工作溫度范圍-40-200）就必須對聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進行修正。2） 多聲道直射式換能器儀表的流量方程式直射式換能器儀表的流量方程沒有管壁材料折射溫度變化影響。多聲道儀表常用高斯積分法或其他積分法計算流量。圖4是以四聲道為例的原理模型，流量計算式（8）所示。 （8）式中 DN測量段內(nèi)與聲道垂直方向上的圓管平均內(nèi)徑或矩形管道的平均內(nèi)高； S高斯修正系數(shù)； Wi各聲道高斯積分加權(quán)數(shù)； Li各聲道長度； Vi各聲道線平均流速；i各聲道聲道角； N聲道數(shù)。2.2 多普勒效應(yīng)法多普勒效應(yīng)法是利用在靜止

10、（固定）點檢測從移動源發(fā)射聲波多產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象。（1） 流速方程式如圖5所示，超聲換能器A向流體發(fā)出頻率為fA的連續(xù)超聲波，經(jīng)照射域內(nèi)液體中散射體懸浮顆?；驓馀萆⑸?，散射的超聲波產(chǎn)生多普勒頻移fd，接收換能器B收到頻率為fb的超聲波，其值為(9)式中 v散射體運動速度。多普勒頻移fd正比于散射體流動速度(10)測量對象確定后，式（10）右邊除v外均為常量，移行后得(11)（2）流量方程式 多普勒法的流量方程式形式上與式（6）相同，只是所測得的流速是各散射體的速度v（代替式中的vm），與載體液體管道平均流速數(shù)值并不一致；方程式中流速分布修正系數(shù)Kd以代替K0 Kd是散射體的“照射域”在管中心

11、附近的系數(shù)；其值不適用于在大管徑或含較多散射體達不到管中心附近就獲得散射波的系數(shù)。（3） 液體溫度影響的修正 式（11）中又流體聲速c，而c是溫度的函數(shù)，液體溫度變化會引起測量誤差。由于固體的聲速溫度變化影響比液體小一個數(shù)量級，即在式（11）中的流體聲速c用聲楔的聲速c0取代，以減小用液體聲速時的影響。因為從圖6可知cos=sin,再按斯納爾定律sin/csin0/c0，式（11）便可得式（12），其中c0/sin0可視為常量。(12)（4） 散射體的影響實際上多普勒頻移信號來自速度參差不一的散射體，而所測得各散射體速度和載體液體平均流速間的關(guān)系也有差別。其他參量如散射體粒度大小組合與流動時分

12、布狀況，散射體流速非軸向分量，聲波被散射體衰減程度等均影響頻移信號2.3 波束偏移法波束偏移法是利用超聲波束垂直流體流動的方向上入射時，由于流體的流動而使超聲波束產(chǎn)生偏移的現(xiàn)象，以偏移量的大小來度量被測流體的流速。它的工作原理如圖7所示。圖7 波束偏移法的原理圖在管道一側(cè)裝一超聲波發(fā)射換能器T，在另-fJ安裝兩個接收換能器R1和R2，由T所發(fā)射的超聲波垂直于流體流動方向。當流體靜止或無流體時，超聲波束如圖中實線所示，這時兩個接收器收到的信號強度相等，指示器示值為零。而當流體流動時，兩個接收器所接受到的超聲波強度不再相等，出現(xiàn)差值。上游側(cè)的接收器輸出信號電壓降低，下游側(cè)的輸出信號電壓升高，兩個電

13、壓之比與流速成線性關(guān)系，測得兩個接收波的電壓幅值差，可求得流體的流速。2.4 相關(guān)法相關(guān)法測量流量屬于非接觸式測量方法，在使用超聲波換能器的同時，需要將兩組參數(shù)近似相等的換能器固定在被測管道上進行測量。通過對接受到的兩路信號進行實域特性分析，可以確定島，從而求得流量。相關(guān)法的測量的特點在于尋找兩路信號的相似程度，因此這種方法的測量精度與所測管道的口徑、介質(zhì)的種類及流速關(guān)系不大，比較而言，相關(guān)法更適合小管道、小流量的測量。2.5 噪聲法管道中流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體流速有關(guān)，通過檢測噪聲可以求得流速值，在測量精度不高時可以用這種方法(10以內(nèi))。這種方法又被稱為被動式測量(凡有超聲波發(fā)射的稱為

14、主動式測量)。以上這些方法各有優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中，要根據(jù)待測對象和要求的精度進行選擇。在某些工業(yè)測量中有510的精度就夠了，這時可以采用波束偏移法和噪聲法。目前工業(yè)上常用的是傳播時差法和多普勒效應(yīng)法，用這兩種方法作研究的很多，所生產(chǎn)的產(chǎn)品性能也比較穩(wěn)定，精度高。相關(guān)法的研究也比較活躍，并有相應(yīng)的產(chǎn)品問世，但由于技術(shù)和價格上的原因，應(yīng)用不是很廣泛，有待于技術(shù)上的進一步成熟。 3超聲波量計的特點眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波

15、流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。 另外，超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，

16、又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。 超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我

17、國只能用于測量200以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復(fù)雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m/s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是103數(shù)量級若要求測量流速的準確度為1%，則對聲速的測量準確度需為10-510-6數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn)，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實際應(yīng)用的原因。4常見各類超聲波流量計的應(yīng)用特征4.1多譜勒式超聲波流量計。只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜質(zhì)含量穩(wěn)定的工廠過程液等。要

18、注意它對被測介貢要求比較苛刻，不能是潔凈水，雜質(zhì)含量要相對穩(wěn)定，才可以正常測量。選擇此類超聲波流量計即要對被測介質(zhì)中有數(shù)，也要對所選用的超聲波流量計的性能、精度和對破測介質(zhì)的要求有深入的了解。4.2時差式超聲波流量計。目前生產(chǎn)最多、應(yīng)用范圍最廣泛的超聲波流量計。它主要用來測量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業(yè)用水領(lǐng)域，得到廣泛應(yīng)用。此外它也可以測量雜質(zhì)含量不高-J、于10gI,，粒徑小于1m面的均勻流體，如污水的測量，而且精度可達15。實際應(yīng)用表明，選用時差式超聲波流量計，對流體的測量都能達到滿意的效果。5 超聲波技術(shù)測量流量的關(guān)鍵問題5.1 測量方向的選擇根據(jù)對信號檢測的原理，目前用超聲波傳

19、感器測流量計大致可分傳播速度差法(包括直接時差法、時差法、相位差法、頻差法)、波束偏移法、多普勒法、空間濾波法及噪聲法。其中噪聲法原理及結(jié)構(gòu)最簡單，便于測量和攜帶，價格便宜但準確度低，適于在流量測量準確度要求不高的場合使用。由于直接時差法、時差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳播時速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準確度校高，所以被廣泛應(yīng)用。按照換能器的配置方法的不同，傳播速度差法又分為：Z法(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化

20、而產(chǎn)生偏移來反映流體流速的，此方法在低流速時，靈敏度很低適用性不大。多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流量測量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原理上，此法的測量準確度與流體中的聲速無關(guān)，因而與流體溫度，濃度無關(guān)，因而流量準確度高，適用范圍廣。但相關(guān)法儀器價格昂貴，線路比較復(fù)雜。噪聲法(又叫聽音法)是利用通道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，成本低，但準確度低。可見以上幾種方法各有特點，應(yīng)根據(jù)被測流體性質(zhì)、流速分布情況、管路安裝地點及對測量準確度的要求等因素

21、進行選擇。一般來說，由于工業(yè)生產(chǎn)中流體的溫度常不能保持恒定，故多采用不受溫度變化影響的頻差法和時差法，只有在管徑很大時才采用直接時差法。對超聲波傳感器的安裝方法的選擇原則一般是：當流體沿管軸平行流動時，選用Z法；當流動方向與管軸不平行或管路安裝地點使超聲波傳感器的安裝間隔受到限制時，采用V法或x法。多普勒法適用于測量兩相流，可避免常規(guī)儀表由懸浮顆?；驓馀菰斐傻亩氯⒛p、附著而不能運行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。5.2 超聲波傳感器驅(qū)動信號的確定在超聲波測流量的應(yīng)用中，系統(tǒng)接收信號的大小和質(zhì)量直接取決于發(fā)射傳感器的驅(qū)動信號。由于在實際應(yīng)用中，對傳播距離的要求和超聲波空間衰減現(xiàn)象的存在，傳感器的驅(qū)

22、動電壓一般為幾十伏到幾百伏。發(fā)射傳感器的驅(qū)動信號可采用正弦信號也可采用脈沖信號。在采用脈沖作為驅(qū)動信號時，一般采用的是單脈沖，但是脈沖的寬度影響著接收信號的大小和質(zhì)量。根據(jù)頻譜分析，其脈沖寬度與傳感器頻率之間存在一最佳關(guān)系式，當脈沖寬度滿足該關(guān)系式時，接收傳感器的接收信號最好。為了使傳感器的輸出特性最佳，所發(fā)送的脈沖信號在傳感器的中心頻率處應(yīng)該信號最強；但另一方面脈沖寬度不能太大，否則會給接收傳感器帶來很大的干擾，使接收電路識別不出所接收信號是否為真實信號。因此可以考慮中心頻率對應(yīng)的角頻率取在偏離直流信號一定角頻率的第一個峰值3/2a處，于是有：2 f0=3/2a式中，f0為傳感器中心頻率；2

23、a為脈沖寬度。發(fā)射信號與接收信號的波形示意圖如圖8所示。圖8 信號自動跟蹤示意圖現(xiàn)以我們所用的一組超聲波傳感器為例來說明，傳感器的中心頻率為1 MHz，那么根據(jù)式(1)確定的發(fā)射脈沖的寬度應(yīng)為1.5s。對發(fā)射傳感器分別加1、1.5、3s寬度的脈沖信號，比較測得的接收信號，最后得出的結(jié)果表明由式(1)求出的發(fā)射脈沖寬度即脈沖寬度1.5s作為發(fā)射傳感器的驅(qū)動信號，接收傳感器的接收信號幅度較大，質(zhì)量較好。5.3 聲波的分辨與檢測技術(shù)超聲波在液體中傳播，信號不可避免地衰減，發(fā)生形變。同時工業(yè)現(xiàn)場的管道噪聲和變頻設(shè)備的電噪聲等于擾信號與超聲波信號一起被超聲流量計的換能器所接收，這樣，準確地分辨和檢測超聲

24、波信號便成為超聲波流量計的關(guān)鍵技術(shù)。早期的超聲波流量計采用跟蹤聲波最大峰值來檢測聲波信號并進行流量測量，這樣，當聲波通過管壁和流體發(fā)生形變，或干擾信號較強時，容易發(fā)生聲波檢測錯誤進而造成流量測量錯誤?，F(xiàn)在多采用信號自動跟蹤技術(shù)，如圖9所示。圖9 信號自動跟蹤示意圖超聲波流量計首先把檢測到的一列超聲波信號中第一個峰值符合一定值的波作為首波，峰值為A+Gt，然后檢測它的前一個波，峰值為A一0t，把兩個波的波峰平均值A(chǔ)對應(yīng)的時間Tm作為接收信號的計時時刻，而這一列波的最大波峰值通過自動平衡電路，把它穩(wěn)定在1.5V左右，通過自動跟蹤A值，便可準確地辨別和跟蹤整個超聲波信號。5.4 信號范圍門的確定為了

25、有效的減少噪聲的干擾，我們常常采用范圍門來確定測量信號。范圍門的確定先根據(jù)超聲波在流體中的傳播特性，大概計算出接受信號的延遲時間，然后根據(jù)每一聲路的長度和流經(jīng)測量斷面的流量范圍預(yù)期信號的最早和最晚到達的時間確定的。根據(jù)最早和最晚到達時時間用來定義三個門：噪聲門、范圍門和溢出門。在最早到達時間的0.6倍處打開接收信號的通道，這樣可以防止發(fā)射脈沖給接收信號帶來的干擾及其它干擾，在最早到達時問的0.8倍處開始等待接收信號，在這之間為噪聲門，它可以排除開關(guān)動作帶來的干擾，在最晚到達時間的1.5倍處關(guān)掉接收通道，此處為溢出門，噪聲門和溢出門之間為范圍門(傳播時問范圍)。噪聲門、范圍門及溢出門示意圖如下圖所示。圖10 噪聲門、范圍門、溢出門示意圖5.5 信號有效性的確定確定信號接收范圍在一定程度上有效地抑制了噪聲的干擾。信號有效性檢驗方法是根據(jù)傳感器接收信號特性以及在實驗測量的基礎(chǔ)上確定的，設(shè)置一個有效信號檢測門檻來驗證檢測電平的有效性。接收信號的門檻檢測電平為+0.2V，另外增設(shè)一個過一0.2 V的門檻電平；當系統(tǒng)檢測到+0.2 V的信號后，只有當在它之后的一0.2 V電平信號到達時間在有效范圍之內(nèi)時，才認為剛才檢測到信號是有效的。否則，認為檢測到的是噪聲。信號有效性檢驗確保了檢測到的信號的可靠性。隨著電子技術(shù)和集成技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波測流量的硬件實現(xiàn)方法上也有