超聲波流量計(jì)的測(cè)流原理及其應(yīng)用

作者：時(shí)間：2013-05-18 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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以上各式中：d為垂直于水流方向上兩換能器之間水平投影的距離，為聲道數(shù)，S為兩聲道之間的過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。

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圖2多聲道超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

2.2多普勒法測(cè)量原理

多普勒法測(cè)量原理，是依據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，檢測(cè)其多普勒頻率差。超聲波發(fā)生器為一固定聲源，隨流體以同速度運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該固體顆?？砂讶肷涞某暡ǚ瓷浠亟邮掌?。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以通過(guò)測(cè)量頻率差就可以求得流速，進(jìn)而可以得到流體流量，如圖3。

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圖3多普勒超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

當(dāng)隨流體以速度v運(yùn)動(dòng)的顆粒流向聲波發(fā)生器時(shí)，顆粒接收到的聲波頻率f1為：

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因此，聲波接收器和發(fā)生器間的多普勒頻移Δf為：

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以上各式中：θ為聲波方向與流體流速v之間的夾角，f0為聲源的初始聲波頻率，c為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若c>>vcosθ則

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式(11)、(12)是按單個(gè)顆?？紤]時(shí)，測(cè)得的流體流速和流量。但對(duì)于實(shí)際含有大量粒群的水流，則應(yīng)對(duì)所有頻移信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。超聲波多普勒流量計(jì)的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖4。換能器接收到的反射信號(hào)只能是發(fā)生器和接收器的兩個(gè)指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)顆粒的反射波，這個(gè)重疊區(qū)域稱(chēng)為多普勒信號(hào)的信息窗。換能器所收到的信號(hào)就是由信息窗中所有流動(dòng)懸浮顆粒的反射波的疊加，即信息窗內(nèi)多普勒頻移為反射波疊加的平均值。

平均多普勒頻移Δ-f可以表示為：

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式中Δ-f——信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；
ΣNi——產(chǎn)生多普勒頻移Δfi的粒子數(shù)；
Δfi——任一個(gè)懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移。

由上可知，該流量計(jì)測(cè)得的多普勒頻移信號(hào)僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，因此要求信息窗應(yīng)位于管渠內(nèi)接近平均流速的部位，才能使其測(cè)量值反映管渠內(nèi)流體的平均流速。

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圖4多普勒信息窗示意圖