超聲波流量計的測量原理及結(jié)構(gòu)

超聲波流量計是由超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將此能量發(fā)射到被測流體中，被接收換能器接收后將之轉(zhuǎn)換為代表流量并易于檢測的電信號的儀器。它可以實現(xiàn)流量的檢測和顯示。超聲波流量計內(nèi)部沒有活動部件和障礙物，因此帶來的管道壓力損失基本可以不用考慮。由于測量的對象信號屬于電信號，因此在現(xiàn)有的電子技術(shù)、微機計算能力以及信號檢測技術(shù)飛速發(fā)展的條件下，可以獲得很高的測量進度和測量范圍。超聲波流量計的計算精度的主要限制是其獲取的信號屬于間接信號，需要經(jīng)過各種換算之后才能推導出*終的流動速度和流量，其采用的流動模型準確程度決定了整個測量精度的高低。

⑴基本原理

   超聲波對液體、固體的穿透能力很強，尤其是在陽光下不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。   另外，當超聲波碰到流體中的雜質(zhì)或分界面時會產(chǎn)生顯著的反射回波，碰到活動的物體能產(chǎn)生多普勒效應。根據(jù)這兩種現(xiàn)象，可以制造兩類不同的超聲波流量計。

①超聲波時間變化法

   利用超聲波的傳播速度隨流體的流速變化而發(fā)生變化的原理，通過測超聲波脈沖傳播線路的平均流速就可測量流速。

②超聲波多普勒法

   利用流體中的微小雜質(zhì)（反射物體）的移動速度所產(chǎn)生的超聲波多普勒效應，通過測超聲波束交差區(qū)域的流速（相當于點的流速）就可測量流速。

   超聲波流量計根據(jù)測量原理的不同，種類較多，大致可以分為以下幾類：傳播速度法（時差法、相位差法和頻差法）、多普勒法、相關(guān)法、波束偏移法等。但是目前*常采用的測量方法主要有兩類：時差法和多普勒效應法。同時，根據(jù)超聲波流量計使用場合不同，可以將之分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計。下面主要介紹時差法和多普勒效應法兩種方法。

⑵時差法

   超聲波在流體中傳播時，傳播速度因流體運動狀態(tài)不同（靜止或流動）而不同。時差法就是測量超聲波脈沖順流和逆流時傳播的時間差。若靜止流體中的音速為c，流體流動的速度為v，則超聲波的傳播方向與流體的流向一致時，其傳播速度為c＋v，反之為c-v。

   圖1所示為脈沖傳播速度變化法測量的原理，將相距為L的兩個轉(zhuǎn)換器T1、T2設置于流體中，觀測轉(zhuǎn)換器之間超聲波的傳播時間。

*先，從T1發(fā)射與流體方向一致的超聲波，其超聲在流體中傳播，設到達T2的時間為t1，再從T2逆流發(fā)射超聲波脈沖，設到達T1的時間為t2，則傳播時間為

流速v的單位一般為m/s，當流體為水時，聲速c為1500m/s，故c＞＞v，則

由于L、c已知，因而流速與傳播的時間△t成正比，利用這種方法測量流速的方法稱為時間法。

⑶多普勒法測量原理

多普勒效應指當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率的現(xiàn)象。對于靜止的接收器，接收從運動著的物體發(fā)射出來的波，所接收到的波的頻率取決于波源的速度；向運動的物體發(fā)射波時，發(fā)射回來的波的頻率也取決于運動物體的速度，頻率的變化與兩者之間的相對速度成正比。超聲波多普勒流量計就是基于多普勒效應測量流量的。如圖4所示為多普勒法超聲波流量計的測量原理圖。

⑷超聲波流量計結(jié)構(gòu)

超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統(tǒng)組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中；接收器接收到超聲波信號后，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號，供給顯示和計算儀表進行顯示和計算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。

為實現(xiàn)流量（流速）測量，*先需要有一個發(fā)射超聲波的換能器（俗稱超聲波探頭），超聲波換能器通常由鋯鈦酸鉛陶瓷燈壓電材料制成，通過電致伸縮效應和壓電效應來發(fā)射和接收超聲波。

換能器在管道上的配置方式分為：Z式（透過式）、V式（反射式）和X式（交叉式），如圖5

發(fā)射超聲波時是利用負壓電效應，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動，從而發(fā)出脈沖變化的高頻壓力波（即超聲波）。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由裝在管道對面的接收換能器接收。接收換能器則利用正壓電效應，將高頻壓力波又轉(zhuǎn)換高頻的電脈沖信號。