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超声波流量计原理与应用

封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有：①传播时间法；②多普勒效应法；③波束偏移法；④相关法；⑤噪声法。本章将讨论用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。

声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法。现以时差法阐明工作原理。
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如图8-1所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢，为：
    (1)
反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快，为：
    (2)    
式（1）减式（2），并变换之，得
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(3)
式中： L——超声波在换能器之间传播路径的长度，m
X——传播路径的轴向分量，m;
     t12、t21——从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间，s;
      c——超声波在静止流体中的传播速度，m/s;
     Vm——流体通过换能器1、2之间声道上平均流速，m/s。
时（间）差法与频（率）差法和相差法间原理方程式的基本关系为
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(5)
式中 △f——频率差；
△ φ——相位差；
f21,f12——超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率；
f——超声波的频率。
从中可以看出，相位差法本质上和时差法是相同的，而频率与时间有时互为倒数关系，三种方法没有本质上的差别。目前相位差法已不采用，频差法的仪表也不多。
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传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速，而计算流量所需是流通横截面的面平均流速，二者的数值是不同的，其差异取决于流速分布状况。因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。此外，对于夹装式换能器仪表，还必须对折射角受温度变化进行补偿，才能精确的测得流量。体积流量qv为
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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。
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（效应）法
多普勒（效应）法超声波流量计是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。

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如图8-2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
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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
(8)
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测量对象确定后，式（8）右边除v外均为常量，移行后得
(9)

  多普勒法超声波流量计的流量方程式形式上与式（6）相同，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。
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