超聲波流量測(cè)量技術(shù)綜述

1、超聲波流量測(cè)量技術(shù)綜述目錄引言超聲波流量計(jì)時(shí)差法總結(jié)展望1 引言超聲波流量計(jì)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)超聲波流量計(jì)的分類1.1 超聲波流量計(jì)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1931 年，最早的關(guān)于超聲波用于管道流量測(cè)量的德國(guó)專利 1955年，誕生了世界上第一臺(tái)超聲波流量計(jì)MAXSON 流量計(jì) 1958年，設(shè)計(jì)出來折射式超聲波探頭 70年代早期，超聲多普勒流量計(jì)誕生 70年代后期到80年代初期，研制出了用于氣體流量測(cè)量的超聲波流量計(jì)1.1 超聲波流量計(jì)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 20世紀(jì)90年代后，超聲波流量計(jì)的關(guān)鍵部件超聲波傳感器的性能得到了比較大的進(jìn)步。 進(jìn)入二十一世紀(jì)后，現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)在超聲波

2、流量計(jì)方面成功應(yīng)用，使得超聲波流量計(jì)測(cè)量的精確性、穩(wěn)定性及操作的便利性得到了充分的體現(xiàn)1.1 超聲波流量計(jì)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 二十世紀(jì)五十年代末期，國(guó)內(nèi)一些單位開始了相關(guān)的研究 六十年代中期，研制出了用于水電站特大口徑的超聲波流量計(jì) 1975 年，開始研制頻差法超聲波流量計(jì) 80 年代中期，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)出了代表當(dāng)時(shí)國(guó)際水平的超聲波流量計(jì) 2000年引進(jìn)氣體超聲波流量計(jì) 總體上，國(guó)內(nèi)的高精度超聲波流量計(jì)幾乎全是國(guó)外的產(chǎn)品，低端產(chǎn)品過剩，高端依賴進(jìn)口的形勢(shì)1.2 超聲波流量計(jì)的特點(diǎn)超聲波流量計(jì)一種非接觸式儀表，主要特點(diǎn): 解決了大管徑、大流量及各類明渠、暗渠測(cè)量困難的問題。 對(duì)介質(zhì)幾乎沒要求?？蓽y(cè)液體、

3、氣體、甚至雙向氣體 超聲波流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度幾乎不受被測(cè)流體溫度、壓力、密度、粘度等參數(shù)的影響 超聲波流量計(jì)的測(cè)量范圍度寬,一般可達(dá)20:11.3 超聲波流量計(jì)的分類根據(jù)測(cè)量原理，超聲波流量計(jì)可分為：時(shí)差法超聲流量計(jì)、相差法超聲流量計(jì)、頻差法超聲流量計(jì)、多普勒超聲流量計(jì)、液位測(cè)量、相關(guān)法超聲流量計(jì)等。2 超聲波流量計(jì)時(shí)差法超聲波流量計(jì)各方法原理時(shí)差法超聲波流量計(jì)時(shí)差法與相關(guān)法相結(jié)合的方法影響測(cè)量的因素2.1超聲波流量計(jì)各方法原理 2.1.1 傳播速度差法工作原理 根據(jù)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)間之差與被測(cè)流體的流速有關(guān),求出流速的方法。 2.1.2 多普勒法工作原理 當(dāng)

4、發(fā)射器和接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),接收器的接收聲頻率與發(fā)射器的發(fā)聲頻率之差跟兩者之間的相對(duì)速度成正比。2.1超聲波流量計(jì)各方法原理 2.1.3波束偏移法工作原理 超聲波束在流體的流動(dòng)影響下,其波束的方向會(huì)發(fā)生偏移，在超聲波束與流動(dòng)方向垂直時(shí),這一偏移更明顯,超聲波束方向的偏移,是以接收換能器所接收的波束強(qiáng)度的差值變化來反映的，即該強(qiáng)度與流速有關(guān)。 2.1.4噪音法工作原理 噪聲法指當(dāng)流體在管道中流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生渦流或紊流等，由于流體產(chǎn)生的剪切作用，會(huì)在一定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生超聲波，流速與所產(chǎn)生的噪聲強(qiáng)度成比例。這樣，通過對(duì)噪聲的檢測(cè)就可以得出流體的流速。2.1超聲波流量計(jì)各方法原理 2.1.5 旋渦法

5、工作原理 漩渦法是利用流體運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的漩渦來進(jìn)行測(cè)量的。當(dāng)流體運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的漩渦速度幾乎與流體速度相等,超生波束每穿過一個(gè)漩渦時(shí),由于漩渦對(duì)聲波的折射和反射都使接收器接收到的信號(hào)幅度被調(diào)制一次，可根據(jù)調(diào)制頻率而獲得流速。 2.1.6 相關(guān)法測(cè)量原理 多數(shù)流體在管道內(nèi)的流動(dòng)是以相關(guān)方式運(yùn)動(dòng)的紊流模式存在的。若在管道中相隔一定間距的截面上觀察他們的特性，可知流速剖面之間存在相關(guān)性，相關(guān)度是隨著間距的減小而增加。2.2 時(shí)差法超聲波流量計(jì) 2.2.1 時(shí)差法流量計(jì)原理 （2-6） （2-7） （2-8） （2-9） （2-10） cosvcLtABcosvcLtBAsinLD 222coscos2

6、vcvLtDtcv2tan22.2 時(shí)差法超聲波流量計(jì) 2.2.2 改進(jìn)時(shí)差法 由于式(2-10)中含有聲速c，溫度的變化會(huì)引起聲速的變化。當(dāng)管道中的流體溫度與管道外的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度存在差別較小時(shí)，在運(yùn)算中可以忽略不計(jì)，這時(shí)可以通過改進(jìn)的測(cè)量方法和算法，消除計(jì)算公式中的聲速，從而簡(jiǎn)化流體傳播速度的計(jì)算。在改進(jìn)的時(shí)差法中對(duì)式(2-6)(2-7)進(jìn)行變形，得到超聲波順流傳播時(shí)： （2-11） （2-12）ABtLvccosBAtLvccos2.2 時(shí)差法超聲波流量計(jì) 2.2.2 改進(jìn)時(shí)差法 兩式相減得氣體流速： （2-13） 相加氣體內(nèi)聲速： （2-14） 流量 （2-15） 流體流動(dòng)一般分為兩種狀

7、態(tài)：一是層流狀態(tài)，軸向流動(dòng)；二是紊流狀態(tài)，既有軸向的運(yùn)動(dòng)，又有劇烈的橫向流動(dòng)。兩種不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)速度分布不同。所以(2-15)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不精確的,用如下公式： （2-16） 2sinDttttvBAABABBABAABBAABttttLc2tAVQM412DvtKQM2.2 時(shí)差法超聲波流量計(jì) 2.2.2 改進(jìn)時(shí)差法 補(bǔ)償系數(shù) 的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式： （2-18） 其中Re為流體的雷諾系數(shù)，用來表征流體流動(dòng)特性，管道是圓形時(shí)，計(jì)算公式如下： （2-19） 管道是圓形時(shí)，Re 2320時(shí),流體是層流狀態(tài)，Re2320就認(rèn)為是紊流狀態(tài)。K1 55237. 010ReRelog011. 0119. 110ReR

8、e43125. 601. 013/4KvDRe2.2 時(shí)差法超聲波流量計(jì) 2.2.3 改進(jìn)時(shí)差法的實(shí)現(xiàn)難點(diǎn) 氣體的渡越時(shí)間與管道尺寸及聲速有密切關(guān)系，管道直徑為500mm時(shí)，渡越時(shí)間在ms數(shù)量級(jí)，渡越時(shí)間之差在 s數(shù)量級(jí)甚至可能更低，因此精確測(cè)量渡越時(shí)間和渡越時(shí)間之差、和非常重要。 此方法對(duì)渡越時(shí)間和渡越時(shí)間之差的測(cè)量精度要求非常高，因此如何精確測(cè)量它們成為一難點(diǎn)。 其中一種方法是將時(shí)差法和相關(guān)法相結(jié)合，使用相關(guān)法能以較高的精度測(cè)出渡越時(shí)間，并能直接測(cè)出渡越時(shí)間之差，排除由相對(duì)精度造成的誤差，大大提高運(yùn)算精度。2.3 時(shí)差法與相關(guān)法相結(jié)合 相關(guān)法測(cè)時(shí)差的前提是兩信號(hào)的相似性，信號(hào)相似性越高，時(shí)

9、差測(cè)量越精確。信號(hào)在傳輸過程中會(huì)發(fā)生畸變，但只要兩信號(hào)還保持原來的相似性，時(shí)差測(cè)量精度就不會(huì)改變。即只要兩信號(hào)相似，就不會(huì)影響時(shí)差測(cè)量結(jié)果。 兩隨機(jī)信號(hào)x(t)和y(t)波形基本相同，只是兩信號(hào)間有一時(shí)間上的滯后。將信號(hào)x(t)和y(t)做互相關(guān)運(yùn)算,則互相關(guān)函數(shù)為： （2-19）dttytxTRTTxy0)()(1lim)(2.3 時(shí)差法與相關(guān)法相結(jié)合 互相關(guān)函數(shù)圖形峰值(最大值)位置所對(duì)應(yīng)的時(shí)間 就是兩信號(hào)間滯后時(shí)間。 在理想流動(dòng)狀態(tài)下，上述系統(tǒng)可視為一個(gè)線性非時(shí)變系統(tǒng)，即 。將變成與時(shí)間t無關(guān)的 ，而且可以表示成一簡(jiǎn)單的延時(shí)脈沖即 。 則互相關(guān)函數(shù)就是在時(shí)間軸上平移了 的輸入信號(hào)x(t)

10、的自相關(guān)函數(shù),即 。0),(th)(h)(),(0ttth0)(xyR2.3 時(shí)差法與相關(guān)法相結(jié)合 在超聲波流量計(jì)設(shè)計(jì)中，如圖2.6所示，當(dāng)超聲波信號(hào)由換能器A發(fā)射向換能器B時(shí)，換能器B接收到的信號(hào)與換能器A發(fā)射的信號(hào)在時(shí)域上波形應(yīng)該是相同的，僅僅有時(shí)間的延遲，延遲的時(shí)間即為超聲波從換能器A到換能器B的渡越時(shí)間，同理也可以得出超聲波由換能器B到換能器A的渡越時(shí)間。另外換能器A、B分別接收到的信號(hào)波形也是相同的，兩者之間的時(shí)間延遲即為渡越時(shí)間之差，因此利用相關(guān)法完全可以測(cè)出 、 和時(shí)差 。ABtBAtt2.3 時(shí)差法與相關(guān)法相結(jié)合 設(shè)換能器A發(fā)射的超聲波為x0(t)，相應(yīng)的換能器B接收到的超聲波

11、為x(t)；同理換能器B發(fā)射的超聲波為y0(t),相應(yīng)的換能器A接收到的超聲波為y(t)。則有： x0(t)與x(t)互相關(guān)函數(shù)最大值時(shí)得出 ； y0(t)與y(t)互相關(guān)函數(shù)最大值時(shí)得出 ； x(t)與y(t)互相關(guān)函數(shù)最大值時(shí)得出時(shí)差 ； 由此可以計(jì)算出流量，相關(guān)法計(jì)算流量過程如下圖2.8所示。ABtBAtt2.3 時(shí)差法與相關(guān)法相結(jié)合 相關(guān)法尋找兩個(gè) 信號(hào)的最大相似 性，從而排除了 個(gè)別干擾信號(hào)的 影響，且精度較 高，多用于兩相 的流速測(cè)量中。 可在系統(tǒng)中用三個(gè)甚至更多的控制截面來提高測(cè)量精度，缺點(diǎn)是需要多個(gè)傳感器，對(duì)芯片的處理能力要求較高。 流2.4 影響測(cè)量的因素 流速公式(2-16

12、)是在理想情況下，即管道中流體流速分布均勻，管道內(nèi)流體與管道外界環(huán)境溫度相同的條件下得到的，而實(shí)際工業(yè)管道中流體的流動(dòng)十分復(fù)雜，管內(nèi)外溫度也可能有較大的差別。這些因素都會(huì)影響測(cè)量的精度： （1）流體的局部壓力、密度的變化以及流速的影響。 （2）單相流體在湍流流動(dòng)狀態(tài)下，流體內(nèi)部常常存在局部溫度的不均勻性。 （3）做湍流流動(dòng)的單相流體內(nèi)部的渦旋運(yùn)動(dòng)，可以使在發(fā)送器和接收器之間流體中傳播的聲波產(chǎn)生附加的多普勒頻移。2.4 影響測(cè)量的因素 除了溫度變化、流速分布不均勻、多普勒頻移外，引起時(shí)差法測(cè)量誤差的原因還有工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)干擾、管壁厚度和電路、聲路延時(shí)等。至于電聲的傳播延時(shí)，如果電路和聲路近似對(duì)稱，也可以忽略，互相關(guān)法就可以很好的消除電路延時(shí)造成的影響。所以流量計(jì)算的誤差修正主要是消除溫度變化和流速分布不均勻產(chǎn)生的影響。3 總結(jié)展望 超聲波流量計(jì)屬于非接觸式儀表，適于測(cè)量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量測(cè)量。