時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理和設(shè)計(jì)

1  引言
     超聲波用于氣體和流體的流速測(cè)量有許多優(yōu)點(diǎn)。和傳統(tǒng)的機(jī)械式流量?jī)x表、電磁式流量?jī)x表相比它的計(jì)量精度高、對(duì)管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、非接觸流體、使用方便、易于數(shù)字化管理等等。近年來(lái)，由于電子技術(shù)的發(fā)展，電子元?dú)饧某杀敬蠓认陆担沟贸暡髁績(jī)x表的制造成本大大降低，超聲波流量計(jì)也開始普及起來(lái)。經(jīng)常有讀者回詢問(wèn)有關(guān)超聲波流量測(cè)量方面的問(wèn)題。作為普及，我們將陸續(xù)撰寫一些專題文章，來(lái)介紹一些相關(guān)知識(shí)，以便推廣和普及超聲波流量技術(shù)的普及和提高。本文主要介紹目前最為常用的測(cè)量方法：時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理和設(shè)計(jì)。

2        時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理
時(shí)差法超聲波流量計(jì)（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如圖1所示。他是利用一對(duì)超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過(guò)觀測(cè)超聲波在介質(zhì)中的順溜和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流速，在通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量的一種間接測(cè)量方法。

圖1 時(shí)差法超聲波流量測(cè)量原理示意圖

圖1中有兩個(gè)超聲波換能器：順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并相距一定距離，管線的內(nèi)直徑為D，超聲波行走的路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng),超聲波順流速度為tu,逆流速度為td,超聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向加角為θ。由于流體流動(dòng)的原因，是超聲波順流傳播L長(zhǎng)度的距離所用的時(shí)間比逆流傳播所用的時(shí)間短，其時(shí)間差可用下式表示：

其中：c是超聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速，V是流體介質(zhì)的流動(dòng)速度，tu和td之間的差為：

式中X是兩個(gè)換能器在管線方向上的間距。
為了簡(jiǎn)化，我們假設(shè)，流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個(gè)小量。即：

上式可簡(jiǎn)化為：

也就是流體的流速為：

由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比。
流量Q可以表示為：


3        時(shí)差法超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)
      圖2是我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)的原理框圖。圖中主要有兩個(gè)超聲波發(fā)射單元、一個(gè)時(shí)間測(cè)量單元和一個(gè)控制器。他們共同來(lái)完成超聲波的發(fā)射、接受和時(shí)間差的測(cè)量等工作。其他的外圍單元主要是為了測(cè)量?jī)x表的參數(shù)設(shè)定、測(cè)量數(shù)據(jù)的輸出、顯示和傳送等功能，可參考相關(guān)資料，這里不作介紹。



圖2  超聲波流量計(jì)的電原理框圖

4        結(jié)語(yǔ)
     時(shí)差法超聲波流量計(jì)的換能器安裝方式可以有多種。常見的有外加式和管段式，也有介入式，比如家用煤氣表一般可采用介入式。無(wú)論何種安裝方式其原理大同小異。比如介入式就是取上面公式中的θ=0。
     超聲波波用于流體的測(cè)量還有其他幾種基于不同原理的測(cè)量方法：多卜勒頻移法、相位差法和相關(guān)法等等，各有優(yōu)缺點(diǎn)，可根據(jù)不同的使用條件和計(jì)量精度等因素加以選取。
    隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展、超聲波技術(shù)的普及以及產(chǎn)品成本的降低和可靠性的提高，我們相信，超聲波流量?jī)x表將成為流體計(jì)量中最為普遍采用的手段。

公式和圖形都看不到。

多普勒法是不是用的很少了？

是近十幾年來(lái)隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種 ,超聲波技術(shù)的普及以及產(chǎn)品成本的降低和可靠性的提高，我們相信，超聲波流量?jī)x表將成為流體計(jì)量中最為普遍采用的手段。