超聲波流量計的基本原理

超聲波流量計的測量原理就是通過(guò)發(fā)射換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波以一定的方式穿過(guò)流動(dòng)的流體，超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，就載上了流體流速的信息。當接收換能器接收到超聲波時(shí)就可以檢測出流體流速信息的電信號，經(jīng)信號處理反映出流體的流速。

由此可知，超聲波流量計測量原理是通過(guò)測量流體的流速來(lái)?yè)Q算成流體的質(zhì)量流量Qm，其關(guān)系式為：

Qm=AρV

式中，流通截面A取決于管道工況和管道狀況，密度ρ取決于流體介質(zhì)及工況，一般都能精確地測量到。所以測量流體的流速V，就是超聲波流量計進(jìn)行流量測量的目的。

超聲波流量計常用的換能器是壓電換能器，是利用壓電材料的壓電效應，采用適當的發(fā)射電路，把電能加到發(fā)射換能器的壓電晶片上，使其產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，并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)壓電晶片變成電能，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電晶體的逆壓電效應，而接收換能器則利用壓電效應。壓電晶片為圓形薄片，其直徑超過(guò)厚度的10倍以保證沿厚度方向振動(dòng)。壓電晶體元件裝人換能器（生產(chǎn)廠(chǎng)家一般叫探頭）中的聲楔中，聲楔起固定壓電晶體片的作用，以40°左右角度使超聲波射入到流體中。聲楔材料一般為有機玻璃、橡膠、塑料或膠木，以強度高、耐老化、而且要求超聲波透過(guò)聲楔后能量損失小，希望透視系數盡量接近1為好。

夾裝式換能器超聲波流量計除了做流速分布修正外，必要時(shí)還要做聲道角變化影響的修正。聲道角Q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(gè)數量級，在溫度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，就必須對聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進(jìn)行修正。另外多聲道儀表常采用高斯積分法或其他積分法計算流里。

超聲波流量計的電子電路包括發(fā)射、接收電路和信號處理電路。超聲波流量計對信號的發(fā)生、傳播及檢測有各種不同的設置方法，構成了依賴(lài)不同原理的超聲波流量計。如傳播速度差法 (包括時(shí)差法、相位差法、頻差法）、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法、空間濾波法、流速—液面法及相關(guān)法等不同類(lèi)型的超聲波流量計。

基于不同原理，適用于不同場(chǎng)合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現，從測量精度和使用最多的超聲波流量計要數傳播速度法中的頻差法和多普勒效應法。這里就以使用最多的頻差法和多普勒效應法加以介紹。

傳播速度差法

超聲波在流動(dòng)的流體中，順流傳播的時(shí)間與逆流傳播的時(shí)間就像順水行船與逆水行船一樣，存在快慢時(shí)間之差。這個(gè)時(shí)間之差與被測流體的流速有關(guān)，求流速的方法，按測量物理量的不同，傳播速度差法分為時(shí)差法、相位差法和頻差法三種。

(1) 時(shí)差法

時(shí)差法是利用超聲波在流體中傳播時(shí)，因流體流動(dòng)方向不同而傳播速度不同的特點(diǎn)，測量它的順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間的差值從而計算流體流動(dòng)的速度和流量或將流體流動(dòng)時(shí)和靜止時(shí)超聲波在流體中傳播的情況進(jìn)行比較，由于流速不同同樣會(huì )使超聲波的傳播速度發(fā)生變化，產(chǎn)生時(shí)間差，同理計算出流體流動(dòng)的速度和流量，此方法多用于大口徑超聲波的測量。

(2) 相位差法

相位差法是利用時(shí)差法中的超聲波的相位差與時(shí)間差的關(guān)系，通過(guò)測量順流和逆流兩個(gè)方向接收波的相位差實(shí)現流體的流速測量，其關(guān)系式為：

△φ= 2πf△t

式中△φ——測量順、逆兩個(gè)方向接收波的相位差；

f——超聲波的發(fā)射頻率；

△t——順流和逆流情況下超聲波傳播時(shí)間差。

(3) 頻差法

頻差法是在時(shí)差法和相位差法的基礎上發(fā)展起來(lái)的。它們與流速成正比的常數都與聲速有關(guān)，而聲速隨著(zhù)溫度而變化，因而被測流體溫度變化就會(huì )帶來(lái)測量誤差。而頻差法則是由測量順流一組和逆流另一組發(fā)射一接收超聲波的閉路循環(huán)系統，通過(guò)接收到的超聲脈沖的循環(huán)頻率差來(lái)反映流量的大小，其比例常數和聲速無(wú)關(guān)。

順流循環(huán)脈沖頻率           f順=（C+v）/L

逆流循環(huán)脈沖頻率           f逆=（C-v）/L

而順流、逆流循環(huán)脈沖頻率差      △f=2v/L

則流速                 v=△f*L/2

因此可通過(guò)測量一定時(shí)間內兩組閉路循環(huán)系統中的循環(huán)頻率之差來(lái)測得流速。

頻差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，精度較高，所以已在工業(yè)流量測量中廣泛應用。

(4) 多普勒法

多普勒超聲波流量計的測量原理是利用聲波的多普勒效應進(jìn)行測量的。超聲波發(fā)生器作為一固定聲源，隨著(zhù)流體以同速度運動(dòng)的固體顆粒與聲源相對運動(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)測量頻率差就可以求得流速，進(jìn)而可以得到流體流量。

當多普勒超聲波流量計的發(fā)射換能器以Q角度向流體發(fā)射頻率為f1的連續聲波時(shí)，流體中的懸浮顆粒將聲波反射到接收換能器，因為懸浮顆粒的運動(dòng)，所以反射的超聲波將產(chǎn)生多普勒頻移△f，如果頻移后接收換能器收到的超聲波頻率為f2，超聲波在流體中速度為c，懸浮顆粒與流體速度相同都為v，則多普勒頻移為：

△f=2vf1cosQ/c

通過(guò)測量△f就可得到流速：

v=c△f/2f1cosQ

多普勒法超聲波流量計可測量雙向介質(zhì)的流量，故可用于排污水、含懸浮顆粒、氣泡等流體的測量。