超聲波流量計(jì)的原理及應(yīng)用
閱讀:274 發(fā)布時(shí)間:2015-3-26
一.引言首先家簡(jiǎn)單介紹一下流量計(jì)的概念凡是有物質(zhì)流動(dòng)的場(chǎng)合,人們?yōu)檎莆掌鋽?shù)量都需要流量測(cè)量。流量分為瞬時(shí)流量(Flow Rate)和累計(jì)流量(Total Flow)瞬時(shí)流量(Flow Rate):?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)過封閉管道或明渠有效截面的量。流過的物質(zhì)可以是氣、液、固體。數(shù)學(xué)公式: v為流體的體積,工程上常用的單位m3/h.累計(jì)流量(Total Flow):在某一段時(shí)間間隔內(nèi)(可以是一天、一周、一月、一年)流體流過封閉管道或明渠有效截面的累計(jì)量稱為累計(jì)流量,通過將瞬時(shí)流量對(duì)時(shí)間積分可求得累計(jì)流量。數(shù)學(xué)公式:流量計(jì)(Flowmeter):用以測(cè)量瞬時(shí)流量或累計(jì)流量的器具統(tǒng)稱為流量計(jì)流量計(jì)廣泛應(yīng)用于能源計(jì)量如水,氣等含能工質(zhì)。流量計(jì)的種類繁多,可大體分為幾大類,約幾百種以上。(1) 差壓式流量計(jì):1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。(2) 轉(zhuǎn)子流量計(jì)(3) 容積式流量計(jì):1.橢圓齒輪 2.腰輪 3.刮板 4.旋轉(zhuǎn)活塞(4) 渦輪流量計(jì)(5) 電磁流量計(jì) :大管徑,造價(jià)高。安裝時(shí)需要停水?dāng)喙埽?) 渦街流量計(jì)(7) 超聲波流量計(jì)(8) 質(zhì)量流量計(jì) (9) 其它流量計(jì)上述流量計(jì)優(yōu)、缺點(diǎn),用途各異。用戶選表總想找到一種理想的流量計(jì)以解決它的流量計(jì)量問題,而流量計(jì)制造廠都力圖制造出一種理想流量計(jì)以適應(yīng)更廣泛的需要。總結(jié)千百種流量計(jì)的所有優(yōu)點(diǎn)可以提出理想流量計(jì)的條件如下: 1.檢測(cè)件*物; 2.檢測(cè)件可夾裝在管道外部,可隨意移動(dòng)在任何地點(diǎn)測(cè)量而無須截?cái)喙艿琅c流體; 3.儀表的流量計(jì)算方程簡(jiǎn)單明確,可外推到未知領(lǐng)域而無須實(shí)流校驗(yàn); 4.頻率脈沖輸出信號(hào),數(shù)字式儀表,便于遠(yuǎn)傳抗干擾及與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng); 5.儀表輸出信號(hào)不受流體流動(dòng)特性的影響; 6.儀表復(fù)現(xiàn)性高; 7.儀表范圍度寬,線性好; 8.儀表可靠性高,價(jià)格適宜,維修技術(shù)不復(fù)雜; 9.無須個(gè)別實(shí)流校驗(yàn),或只須“干校”,或在一、二種介質(zhì)中校驗(yàn)可推廣到各種介質(zhì); 10.檢測(cè)件輸出信號(hào)直接反映質(zhì)量流量。 可以說至今并沒有出現(xiàn)上述的理想流量計(jì),所有流量計(jì)都多少具備一些上述條件,只不過有的多些,有的少些。所有流量計(jì)制造廠試制新產(chǎn)品都力圖能更多地具備上述條件。我們今天介紹的超聲波流量計(jì),目前之所以能被相當(dāng)廣泛的用戶普遍接受是有客觀原因的。主要是它能在更多方面更好地滿足理想流量計(jì)的一些條件。二.超聲波流量計(jì)的歷史(1) 1928年德國(guó)人研制成功*臺(tái)超聲波流量計(jì),并取得了。至今超聲波流量計(jì)以有75年歷史(2)1955年首先應(yīng)用于馬克森(MAXSON)流量計(jì)測(cè)量航空燃燒油,這是一種基于聲循環(huán)法的兩組探頭(換能器)組成的液體流量計(jì)(3)1958年A.L.H-ERDRICH等人發(fā)明折射式探頭,由于他們的研究可進(jìn)一步消除由于管壁的交混回響所產(chǎn)生的相位失真,也為管外夾裝提供了理論依據(jù)。進(jìn)入20世紀(jì)七十年代以后,由于集成電路和鎖相環(huán)路技術(shù)的發(fā)展,使超聲波流量計(jì)得以克服以前的度不高,響應(yīng)慢,穩(wěn)定性與可靠性差等致命弱點(diǎn),使實(shí)用的超聲波流量計(jì)得以發(fā)展。近20年來特別是近10年來,基于高速數(shù)字信號(hào)的處理技術(shù)與微處理技術(shù)的快速發(fā)展,基于新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置與流量動(dòng)力學(xué)的研究,超聲流量測(cè)量技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展,顯示了強(qiáng)勁的技術(shù)優(yōu)勢(shì),發(fā)展勢(shì)頭迅猛。2000年在巴西召開的流量測(cè)量學(xué)術(shù)會(huì)議(FLOMEK-O‘2000)上共宣讀學(xué)術(shù)論文集103篇,其中直接涉及超聲波流量計(jì)及超聲波技術(shù)的論文20篇,約占論文總數(shù)的1/5。在歷次流量學(xué)術(shù)會(huì)議上,采用超聲波流量計(jì)作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)的文獻(xiàn)愈來愈多,可見超聲波流量計(jì)其潛在的巨大的生命力。三.超聲波流量計(jì)的分類(1) 按原理分:A. 傳播速度差法:a. 時(shí)差法(目前zui常采用此法)b.頻差法(聲環(huán)法)c.相位差法d. 多普勒法(目前zui常采用此法)e.相關(guān)法 f.射束位移 g.渦街法(2)按探頭(換能器)安裝方式分:A.外夾式B.插入式(即濕式)又分為:a.帶測(cè)量管段的 b.不帶測(cè)量管段,直接在工藝管段上實(shí)現(xiàn)安裝的。(3)按聲道數(shù)目劃分:A.單聲道B.多聲道(2—8聲道)(4)按性能分;A.標(biāo)準(zhǔn)型 B.固定式 C.便攜式D.低溫防水型E.其他四.超聲波流量計(jì)的基本原理1.基本原理超聲波在流動(dòng)的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。相對(duì)于固定座標(biāo)系(如管壁),順流的超聲波的傳播速度將大于逆流的傳播速度。為實(shí)現(xiàn)流量(流速)測(cè)量,首先需要有一個(gè)發(fā)射超聲波的換能器(俗稱超聲波探頭),通常采用石英等材料制成的壓電元件作為換能器。發(fā)射超聲波時(shí)是利用負(fù)壓電效應(yīng),即利用高頻電脈沖的作用,使壓電晶體高頻振動(dòng),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(duì)面的接收換能器接受。接受換能器則利用正壓電效應(yīng),將高頻壓力波又轉(zhuǎn)換高頻的電脈沖信號(hào)。可以輪流交替地利用同一個(gè)換能器及發(fā)射高頻、短時(shí)的脈沖壓力波,又用來接收對(duì)面換能器發(fā)來的脈沖壓力波。可以用一組換能器兼做超聲波的收、發(fā)用。由于人耳聽到聲音的上限頻率是20千赫,而此種流量計(jì)所收、發(fā)的壓力波的頻率是0.5—10兆赫(典型頻率是1MHz),屬于超聲波范疇,超聲波流量計(jì)因此得名。2.管外夾式時(shí)差式液體超聲波流量計(jì)的工作原理該類型流量計(jì)利用測(cè)量超聲波在管道中傳播時(shí)間原理而實(shí)現(xiàn)的。介質(zhì)(液體)在管道中流速,與超聲波沿介質(zhì)順流和逆流傳播的時(shí)間差存在著線性關(guān)系。只要分別測(cè)量出超聲波順流、逆流的傳播時(shí)間,就可以依據(jù)線性關(guān)系得到沿管道路徑上各點(diǎn)流速的瞬時(shí)平均流速。這樣,介質(zhì)流量則可以通過流速、管道截面積以及雷諾數(shù)等得到。當(dāng)超聲波束在液體中傳播時(shí),流體的流動(dòng)將使傳播時(shí)間產(chǎn)生微小變化,并且其傳播時(shí)間的變化正比于液體的流速,由此可求出液體的流速。