检测技术与仪器课程论
文
文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
超声波流量
XXX
测量技术
摘要：超声波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。本文主要讨论用多普勒法测量封闭管道液体流量的工作原理。 关键词：多普勒法，流量测量，超声波流量计
Abstract: Ultrasonic flowmeter is through the detection of fluid flow on ultrasound beam (or ultrasonic pulse), to measure the volume flow meter. By using the doppler method were discussed in this paper the working principle of the liquid flow measurement closed pipes.
Keywords: doppler method; the flow measurement; ultrasonic flowmeter.
1.
流量测量方法简介
由于流量检测条件的多样性和
量法。
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、
复杂性，流量检测的方法非常多，
粘度、密度等参数的影响，又可制
是工业生产过程常见参数中检测方
成非接触及便携式测量仪表，故可
法最多的。据估计，目前在全世界
解决其它类型仪表所难以测量的强
流量检测的方法至少已有上百种，
腐蚀性、非导电性、放射性及易燃
其中有十多种是工业生产和科学研
易爆介质的流量测量问题。鉴于非
究中常用的。
接触测量特点，再配以合理的电子
流量检测方法的分类，时比较
线路，一台仪表可适应多种管径测
错综复杂的问题，目前还没有比较
量和多种流量范围测量。超声波流
统一的分类方法。就检测量的不同
量计的适应能力也是其它仪表不可
可分为体积流量和质量流量两大
比拟的。超声波流量计具有上述一
类。按照检测原理不同，流量检测
些优点因此它越来越受到重视并且
方法有可分为速度法、容积法和质
向产品系列化、通用化发展，现已
制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。
2. 流量测量系统设计
流量测量原理
超声波多普勒流量计的测量原
别是以物理学中的多普勒效应为基
础的。根据声学多普勒效应，当声
源和观察者之间有相对运动时，观
察者所感受到的声频率将不同于声
源所发出的频率。这个因相对运动
而产生的频率变化与两物体的相对
速度成正比．
在超声波多普勒流量测量方法
中，超声波发射器为一固定声源，
随流体一起运动的固体颗粒起了与
声源有相对运动的“观察者”的作
用，当然它仅仅是把入射到固体颗
粒上的超声波反射回接收据．发射
声波与接收声波之间的频率差，就
是由于流体中固体颗粒运动而产少
的声波多普勒频移．由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速．进而可以得到流体的流量．
因此，超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介
质应是含有一定数量能反射声波的
固体粒子或气泡等的两相介质．这
个工作条件实际上也是它的一大优
点，即这种流量测量方法适宜于对
两相流的测量，这是其它流量计难
以解决的问题．因此，作为一种极
有前途的两相流测量方法和流量
计，超声波多普勒流量测量方法目
前正日益得到应用。
多普勒效应原理
多普勒效应指出，波在波源移
向观察者接近时接收频率变高，而
在波源远离观察者时接收频率变
低。当观察者移动时也能得到同样
的结论。
原因为：声源完成一次全振
动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变．在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大．同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小．观察者 (Observer) 和发射源(Source) 的频率关系为：
为观察到的频率；
为发射源于该介质中的原始发射频率；
为波在该介质中的行进速度；
为观察者移动速度，若接近发射源则前方运算符号为 + 号, 反之则为 - 号；
为发射源移动速度，若接近观察者则前方运算符号为 - 号，反之则为 + 号。
1) 流速方程式
如图5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 式中 v－散射体运动速度。 多普勒频移fd正比于散射体流动速度（由于c>>v，所以c-vcosθ≈c）
测量对象确定后，上式右边除v外
均为常量，移行后得
2)
流量方程式
多普勒法的流量方程式形式上为下式，只是所测得的流速是各散射
体的速度v（代替式中的vm），与载体液体管道平均流速数值并不一致；方程式中流速分布修正系数Kd以代替K0， Kd是散射体的“照射域”在管中心附近的系数；其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数。
其中
?vcfdm?2cosθf?
A式中 K——流速分布修正系数，即声道上线平均流速vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比，K=vm/v；
DN－管道内径。
K是单声道通过管道中心（即管轴对称流场的最大流速处）的流速
（分布）修正系数。管道雷诺数
ReD变化K值将变化，仪表范围度
为10时，K值变化约为1％；范围
度为100时，K值约变化2％。流
动从层流转变为紊流时，K值要变化约30％。所以要精确测量时，必须对K值进行动态补偿。 （3） 液体温度影响的修正
式（11）中又流体声速c，而c是温度的函数，液体温度变化会引起测量误差。由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即在式（11）中的流体声速c
用声楔的声速c0取代，以减小用液
体声速时的影响。因为从图6可知cosθ=sinφ,再按斯纳尔定律sinφ/c＝sinφ0/c0，式（11）便可得式（12），其中c0/sinφ0可视为常量。
(12)
测量系统结构及实现方法
超声波流量计采用多普勒法测
量，主控单元采用MCU（80C51单
片机），显示单元用LCD由微型计
算机驱动显示结果。
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