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超声波流量计原理及应用
发表日期:2015-5-26 15:08:51    文章编辑:本站    浏览次数:825次
1、概述
利用超声波测量流速、流量的技术不仅用于工业计量,而且在医疗、海洋观测、河流等的各种计量测试中有着广泛的应用,这里主要说明在工业计量测试中使用的超声波流量计
超声流量计是超声检测技术的一种运用,超声检测是一种无损检测。超声波可以穿透电磁波、光波无法穿透的物体,同时又能在两种物质(声阻抗不同的 物质)交界面上反射,由于物体内部的不均匀性,使超声波衰减变弱,从而可分体内的裂纹、疏松、气泡、沙眼、夹渣、未焊透和脱层等缺陷。所以,检测超声技术 应用非常广泛。它的突出优点是检测可靠、测定迅速、操作简便、便于在现场使用,对人体无害,对系统不改变运行状态,超声仪器可用性好,寿命长,携带方便。 在国外已成功应用于船舶、冶金、机械、石油、化工、食品、电子、航天、建筑、农林、水产及医疗等领域。
原理
一般所谓超声波流量计的测量原理如图表1所示。测量原理是多种多样的,如传播速度差法――声循环法,时间差法和多普勒法,这里对其他方法则只做简单的说明。
从古至今一直在研究利用声波测量液体和气体的流速,但直到二次世界大战为止没有太大的进展。战后爆发的技术革新首先在美国兴起,继相位差法之 后,应用声循环法(两组型)的马克森流量计于1995年首先作为航空燃料用流量计得到应用。这刺激了利用超声波测量流量、流速技术的迅速进步,如上所述, 在很多方面进行了研制,结果出现了时间差法和射束位移法等等。以后一段时期虽然继续进行了研制,但实用的计量测试仪器并未占有牢固的地位。进入二十世纪七 十年代以后,由于IC(集成电路)技术的迅猛发展,可以使用高性能、工作非常稳定的PLL(锁相环路)回路技术,因此产生了将这种技术用于流量计的设想, 结果,陆续出现了作为实用计量测试仪器的超声波流量计。而现在,随着声循环法的发展,以PLL(锁相环路)技术为基础的超声波流量计在实际中也得到了应用。
    另一方面,在苏联虽然也广泛地进行了理论研究,论述了基于流速分布的流量修正系数问题,而一般来说,包括西欧各国在内,其研究创新不如美国进行的活跃。
    日本从二十世纪五十年代后期开始研究用超声波测量流量、流速;继研究相位差法之后又研究了声循环法(一组变换型),1964年1月第一台实用的超声波流量计开 始运转。其后,经过了一些实流试验,和文丘利流量计、电磁流量计等一起大量地应用到大流量测量中。由于使用这种方法可以从管道外侧测量流量,所以在水利发 电厂中被用来测量水轮机效率,不久,日本全电力会社也将其作为轻便式流量计来使用,并制定了检测指南。以后,还进行了采用声循环法的超声波流量计的研制,也进行了明渠河流、风速等的测量。其后不久,使用PLL(锁相环路)技术的超声波流量计成了主要的、大口径管道用的计量测试仪器。
     到此为止,我们谈的主要是传播速度差法,而另一重要方法是多普勒法。多普勒法最初是在船舶或舰艇上用来测量船速,海底或水中的悬浊物被用做超声波的漫反射 源。这一技术也在医用的血流测量中得到应用,现在被看做是非观血的、无侵袭的临床测量血液的重要手段。可是,在工业计量测试方面,即使在日本以外的国家也 未得到太多的应用,日本也只是最近才开始在下水、排水的流量测量中使用。但是,如图1所示,多普勒法对流速变化的灵敏度较其他方法好得多,值得重视。
     以上概述了用超声波流量计测量流量、流速技术的发展情况。超声波流量计除 了可以不妨碍流动地测量流速外,只要能传播超声波的流体皆可以用此法来测量流速,也可以测量高粘度液体、非导电性液体或者气体的流速,而且,不管被测对象 多大,例如河流之类也可以用此法测量其流速,因此现在的应用范围正在迅速扩大着。特别是超声波法可以从厚的金属管道外侧测量管内流动的液体的流速,它具有 不用对原有管子进行任何加工就可实施流量测量的特征,而这是其他方法所不具备的,对于这点下面将做稍微详细的说明。
2、传播速度差法
2.1原理
 
数十年来,人们一直试图用超声波来进行流量的计量测试,而实用的超声波流量计直到十几年前才算完成了。其主要原因在于:一般情况下测量的液体流速在每秒数米以下,而液体中的声速约1500米/秒,流速带给声速的变化量至多不过10-3数量级,在工业计量中当测量流速要求精度达1%时,对声速的测量精度要求为10-5到10-6,过去的计量技术要想长期保持这样的高精度是很困难的。但是,如前所述,由于电子测量技术的进步,克服了上述的困难,现在已有数种超声波流量计得到了实用,下面将说明一下是怎样克服这个困难的。
    将流体流动时与静止时超声波在流体中传播的情形进行比较,由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。如图2所示,取静止流体中的声速为C,流体流动的速 度为V,当声波的传播方向与流体流动的方向一致(顺流方向)时,其传播速度为(C+V),而声波传播方向与流体流动方向相反(逆流方向)时,其传播速度为 (C-V)。我们在距离为L的两处放两组超声波发生器与接收器(T1,R1和T2,R2),当T1顺方向、T2逆方向发射超声波时,超声波分别到达接收器R1和R2所需要的时间分别为t1和t2,则:
t1=L/(C+V)    (1)
t2=L/(C-V)    (2)
一般情形下,液体中的声速C在1000米/秒以上,而多数工业用的流速V不超过每秒几米,即由于C2>>V2,因此得到:
                   Δt=t2-t1=2LV/C2                            (3)
因而,如果知道了L、C,通过测量时间差t就可以求得流速V。但是,由于这个时间差非常小,因此,早期使用了检测灵敏度高的相位差法。所谓相位差法,就是测量顺、逆两个方向接收波的相位差△Φ,而时间差△t 和△Φ的关系为:
△Φ =2πft△t    (4)
这里,ft是超声波的频率。由此可知,相位差法和时间差法的原理可以看做是一样的。
上述方法中的问题在于:根据式(3),需要明确的知道正确的声音速度C。一般而言,液体中的声速C是温度的函数,例如,水中的声音速度由于水温而变的关系如图3所示。这种关系可用下面的数学形式来表示。此式是包含有水温、含盐量、水深的一般实验式:
C=1449.2+4.6T-0.055T2+0.00029T3+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D
式中,C是声音速度(米/秒);T是水温(℃);S是含盐量(‰);D是水深(米)。此式的适用范围为:0≤T≤35℃;0≤S≤45‰; 0≤D≤1000米。
由此可知,为了正确测量流速,需要进行声速修正。在式(3)中,为了消去C2项进行了许多努力。例如,可以采用这样一些手段:当C≥V时,由式(1)可以得到C=L/t1;或者由式(1)和式(2)得到C=2L/(t1+t2);或者当C2≥V2时,得C2=L2/(t1×t2)等等。可是,若使用声循环法,就不需要进行这种声速修正。
声循环法的原理可用图2来说明。首先从发生器T1沿顺流方向发射超声波脉冲,在接收器R1处接收这个信号。再在放大器-1处把此接收信号进行放大,把输出信号加到发生器重复的频率(声循环频率)f1为:
f1=1/t1=(C+V)/L                         (6)
其次,在逆方向的T2-R2也进行了同样的操作,可以得到声驯化声循环频率f2为:
f2=1/t2=(C-V)/L                          (7)
从这里可以得到两个声循环频率之差,取此差为△f,则可得:
△f=f1-f2=2V/L                           (8)
由于此式中不含有声音速度C的项,因此流速的测量可以与声音速度无关。可是,由于这个△f非常小 ,为了提高测量精度尚需进一步努力。
 
2.2相位差法
 
相位差法本质上和时间差法是相同的,两者的关系用图1说明,可得:
△Φ=4πftDcotθ*V/C                           (9)
这里,ft为超声波频率;D为管道直径。
    由于相位差法和频率成正比,频率愈高则测量的灵敏度也高。可是应该看到,频率提高时,可能测量得最大流速值也就降低了,因此必须适当选取频率值。
按图1所示方式使用连续波时,有可能产生两个测量系统间的相互干扰,为了避免这点,提出了把一组超声波发射接收器进行周期性转换的方案,也提出了更简单的、不进行转换的、同时进行发射接收的方案。
 
2.3声循环法
 
    应用声循环法的超声波流量计其特点在于:可与被测液体中的声速无关的测量流速,现在作为大口径管道用的流量计已经得到了最广泛的应用。
(1)       声循环回路
用声循环法测量的原理如前所述,是利用构成顺、逆两个方向的声循环回路来进行的。这种场合,脉冲经回路一圈的时间叫做声循环周期,其倒数叫声循 环频率。一般而言,这个周期t取决于超声波经过发射接收器间的距离L所用的传播时间,若取声速C,则t=L/C。若声循环频率为f,则f=C/L,如果已 知L,可以由测量f而求出声速C,因此,这是大量用来测量声速的最正确的方法之一,据说其稳定度在十分钟内优于10-7,三个月内优于10-4
(2)       二组方式
这种方式是声循环法的典型,上文已谈到使用这种方法的马克森流量计是最早应用而有名的流量仪器。这种流量计如图4所示,与密度测量部件配合起来可测量质量流量。在此图中,超声波发生器T1、接收器R1、放大器1和电信号发射机1构成顺方向的声循环回路,T2、R2、放大器2、电信号发射机2构成逆方向的声循环回路。再以间歇振荡方式由10兆赫石英振荡器中发射超声波脉冲,对面的10兆赫石英振荡器接收这个信号。这样一来,两个回路所产生的声循环频率分别取为fa、fu,则:
             (C+Vcosθ)
fa=                             (10)
                L
 
(C-Vcosθ)
fu=                             (11)
                L
 
若两者的差额为△f,则得:
                  2Vcosθ
△f=fa-fu=                     (12)
                     L
这种流量计的测量精度优于2%,测量范围是最小流量的20倍,当雷诺数在3×104到106之间时,流速分布对直线性的影响约为±1%左右。
    当流速小时,两个回路的声循环频率接近,由于频率牵引现象,用这种方式不能进行流速测量。曾经考虑的措施之一是使用不同的频率,但这样做的话,要保持两个 回路的特性相同是困难的,从而产生精度上的问题。为了避免这点,又提出了这样的流量计的设计方案,它的结构是:给一回路以固定的延迟,则即使流速为零,差 频也不为零;为了检测零点,向同方向发射超声波,并交替转换另一回路的超声波的发射和接收。
(3)       一组转换方式
保持两个声循环回路的特性在长期内相同并且避免相邻两个回路间的相互干扰是非常困难的,因此提出了仅用一个声循环回路按时交替转化的分时方式的 方案。也就是说,超声波的接收、发射和电信号的放大、发射回路(无线电收发机)仅仅是一组,这个超声波收发器的发射和接收在一定周期内交替转换,使超声波 的传播方向逆转,分别地把对应的声循环频率用加减运算技术器计数,从而得到频率差。
    本方式的一例如图5所示,超声波收发器P1装在管道的外璧上,使超声波射束斜着经过液体中传播,在被测液体是水的场合,振荡器用0.4兆赫或1兆赫的锆钛 酸铅陶瓷(PZT),并使用超声波射束入射角为40o的胶木材料作为塑料楔。在这个楔子和管子的交界面上超声波射束发生折射,同时产生波形变换,在管材为 钢、铸铁等铁系材料时,产生从纵波到横波的变换。这里特意使横波的理由在于,超声波在水中的透过率,横波比纵波高,而且横波向水中的折射角也能取的大写。 向此水中的折射角大约为23o,可以把超声波收发器P2设置在对面管璧的一个位置上,在该位置可以有效地接收从该角度发射的超声波。两个超声波收发器希望 制造的完全相同,因而具有相同的特性,它们既起超声波发生器又起超声波接收器的作用。交替转换开关用来转换超声波的发射方向,一定时间使超声波沿顺流方向 发射,再经同一时间间隔沿逆流方向发射。时间图如图6所示。
    顺流、逆流方向的声循环频率分别取为fa、fu,其差取为△f,则:
Vsin2θ                   τCsinθ   -2
△f=fa-fu=                      ( 1+            )                     (13)
                     D                         D
 
式中,V为流速;θ为超声波的行进方向和液体流动方向的夹角;D为管道内径;τ为固定延迟时间,即:超声波经过塑料楔、管壁和衬材传播所需的时间以及电信号滞后时间之和。
    在式(13)中括号内的第二项包含有声速C,而在大口径管道中,这一项非常小,因此即使C发生变化也几乎不产生测量误差。
    在大口径管道的情况下△f非常小,因此,为了提高精度,缩短测量时间,使用了倍频回路(倍率为数十到数百倍)。然后,把倍频的脉冲数对应着顺逆方向进行加减运算,其残值就是与流速成正比的解。
正如后面第2.5节第(1)项所详述的,这样得到的流速值不是普通意义的平均流速,而是超声波射束通过水路中各点的流速的平均值。因此,用超声波流量计测量的流速V和真正的平均流速V之比若命名为流量修正系数K,则瞬时流量Q可以用平均流速和水流的横截面的乘积来表示:
Πd2
Q=               V                      (14)
4k
    在图5中,有数字式仪表求累积流量,有数模转换回路(D/A转换器)得到瞬时流量,基本测量方式是数字式。典型的大口径管道用的超声波流量计的标准规格如表2所示。然而,在这个表中有些附属电路并没有表示出来,例如:为了把由于流动的紊乱而造成的测量值的离散度搞得平滑,具有数字式的对测量值偏差进行平均化的回路;为了模拟,有阻尼常数交
 
               表2大口径管道用超声波流量计(声循环法)规格之一例


被测流体
种类              原水、净水、工业用水、海水
温度              0-40℃
混浊度            5000度以下
被测管道
(水流管道)
材质              钢、铸铁、延性铸铁
口径              300-5000mm
内表面            不管有无衬里都可测量
流速
0-1m/s(最小间隔)以上
测量精度
满刻度为1m/s的场合(对于满刻度)
大口径为±1.0%,中口径为±1.5%
主机
电源电压:100,110,200,220VAC±10%,50/60HZ中的任意一种。
消耗功率:100VA
测量周期:0.24S
同轴电缆
RC12/U,PE铠装,最长500m
 
替变换器,还有为了消除由于水中的气泡、异物而造成的超声波射束的遮断和电噪声而附属的数字式处理回路等等。再者,除了有对各部分机能进行检查的检测器外,还附属有显示动作异常的警报灯以便于进行维修检查。
    此外,作为附加机能,也可以附加两方向(顺、逆)测量、两测线(直径)交替变换、两量程交替变换、数字输出(二一十进制编码法四位)等。
 
2.4时间差法
 
用时间差法测量流速、流量,在初期是用模拟技术进行的。其典型例子是在进行医学实验时,用脉冲传播时间法测量流经血管内的血液流速。在这种实验 里,把两个传感器和血管相接,使用3兆赫的小型钛酸钡陶瓷振荡器用高速交替变换的一组转换方式进行超声波的收发,在测量1厘米/秒以下到1米/秒以上的流 速时线性很好。测量范围的界限取决于漂移和噪声,据报道四小时以内在0.5厘米/秒以下。近年来,由于数字式技术的进步可以精密测量微小时间,因此,在 顺、逆两方向同时发射脉冲,把这些接收波前沿的时间差用数字方式进行测量等的文献发表了,并以实用化为目标进行了种种试验。
(1)相位同步回路(锁相环路――――PLL)
时间差法在工业计量中得到实用却是最近的事,其原动力之一在于相位同步回路(锁相环路――PLL)技术的进步。相位同步回路是一种自动反馈控制 系统,电压控制振荡器(VCO)的振荡频率随着输入信号的频率或其平均值一致地变化。这种锁相环路技术虽然早在1930年已为人们所知道,但线路复杂、成 本高等原因,只能用在特殊的测量器具和通讯设备上。
(2)用锁相环路(PLL)的时间差法
由于最近IC(集成电路)技术的发展有可能普遍使用PLL(锁相环路),使用这种技术的超声波流量计如图7所示。
 
 
 
 


相位差检出
接收
分频
VCO(1)


调制器
同  步
转换器
 
 
 
 
 
 


 


分频
相位差检出
接收
VCO(2)
 
 
 


 

在这个例子里,把一组1.2兆赫的压电跃变(PZT)振荡器放在管壁上进行流量测量,据报道,在100倍以上的测量范围内得到高精度,测量回路 如图所示用了两组PLL(锁相回路),一个回路沿顺方向、另一回路沿逆方向发射超声波,把P1,P2两个探测器的收发交替进行转换。测量相位差,是指测量 VCO(电压控制振荡器)的振荡频率分频为N分之一的信号和接收信号之间的相位差(时间差)。这个接收信号是把分频信号和同期发射的信号接收下来的信号, 超声波在液体中的传播时间比发射时间滞后。因为顺、逆两个回路都是锁相环路,因此,在锁定相位的场合,电压控制振荡器(VCO)(1)以N/T1的频率进 行振荡(其中的T1是超声波从P1到P2的传播时间),电压控制振荡器(VCO)(2)以N/T2的频率振荡(其中的T2是超声波从P2到P1的传播时 间)。因此,这个频率之差为:
 
F1-F2=N(1/T1-1/T2)                              (15)
 
这和由声循环法原理所得到的关系相同,也是不需要进行声速修正的流速、流量测量法。这里的N和声循环法的倍频的倍率M相当。
    下面说明一下另一种作为实用产品的称为TLL方式的超声波流量计。 图8给出了这种流量计的原理图,其原理和前面说明的图7相同,但是,消除掉超声波经过探测器和管壁传播所需要的固定时间t的影响;在由于气泡等的影响得不 到接收信号的情形下由信号接收OFF检测部将其检出;这样一来,电压控制振荡器(VCO)的本振荡频率将不受影响。这个流量计的时间图如图9所示。由此图 可知,由于顺、逆交替转换的时间可以做任意程度的变化,因而在存在有害的多重反射波的情形下,可以避免其影响。再者,通过调整衰减,在90%的相应时间 内,相应可以在1-100秒间变换。其它的规格和在第2.3节第(3)项中所叙述的声循环法一组转换方式的流量计几乎相同。
    由于水温变化使得超声波射束在水中的折射角发生变化,在其它的实用产品中也考虑了不影响其精度的修正手段,而且提出了其它各种实验方案。
 (3)组合法
传播速度差法除了上述的典型测量方法外,还可以将这些方法组合起来,下面作为例子说明一下把声循环法和时间差法或相位差法组和合起来的两种方式。
    一种方式是把顺逆方向的声循环动作各自进行N次,其间进行时间的测量,于第2.4节第(2)项的方式每次进行顺逆转换比较起来,长时间的进行测量,可以提高测量精度。
另一个例子是已得到实用的,中小口径(300毫米以下)用流量计(如图10所示),它是把2兆赫的PZT(锆钛酸铅陶瓷)安在塑料楔上的两个测 量端安装在被测量管道上。为了得到式(12)所给出的△f,把顺、逆两个方向的声循环回路按照收发交替转换构成,这样可以得到各自的声循环频率之差,而由 于在顺逆方向的声循环频率差值,两个发射(接收)信号时刻一致的回路必然不稳定。为此,A回路(顺流方向)以周期TA进行通常的声循环动作,B回路(逆流 方向)如图11所示,在A回路发射了发射信号脉冲后,延迟约TA/2的时间再发射信号,B回路的周期TB通常由延迟控制回路自动进行控制使与TA相等。若 这样做的话,把周期TB和周期TA搞成相同所必需的延迟控制电压Ec为:
 
Ec=2Lcosθv/C2                                                       (16)
 
在这种方式中,超声波在塑料楔中传播时间等的固定延迟将被抵消,而由于液体温度不同将会产生声速误差,这里限定被测液体为水,用热敏元件对策出的水温进行修正,在水温为0℃-30℃之间时,精度可达满刻度(1米/秒以上)的±1.5%左右。
 
2.5流量测量
 
   (1)管内流速分布的影响
传播速度差法从原理上看是测量超声波途径上的平均流速,因此,该测量值是线平均。所以,它和一般的面平均(真平均流速)不同,其差异取决于流速的分布。
    对于流速小的层流范围而言,在圆管内的流速分布是抛物面状分布,真平均流速是最大流速的二分之一,而由超声波流量计测量的值是表示最大流值的三分之二。因此,用超声波流量计测出的流量是真正的流量的三分之四倍。这个关系在流体层流流动的范围内,即雷诺数约2320以下的场合可以保持一定。
   可是,在流速大的紊流范围中,与流动截面有关的流速分布因雷诺数Re而异,随着雷诺数Re的增大,近似于均匀分布。因此,当用超声波流量计测量包含有中心的途径上的平均流速值V时,将它与真平均流速V之比命名为流量修正系数k,k的值可以作为雷诺数Re的函数表示出来,这个问题很多人进行了研究。其典型之一是流速分布按对数规律分布,并可用下面的式子来表示:
     V
k=              =1+0.01√6.25 + 431Re-0.237                    (17)
    V
可是,这个式子利用的是尼库拉兹的摩擦系数,在Re为105以下的范围内需要利用布拉修斯摩擦系数加以修正,或者也可以用简单的实验式
k=1.119 – 0.11 log Re                                        (18)
来表示。如果流速变化十倍,即雷诺数变化十倍,其对数为1,由此式可知,k的变化仅约为1%。以上的计算结果归纳在图12中
     流动若在层流和紊流范围之间,也就是过渡范围那种情形下,流动是不稳定的,因此,需要考虑这种范围。可是,实际上对于特大口径管道而言,那种范围内的流速只是极小的问题,而流动在管中心轴上的不对称所造成的误差才是大问题。在下面的(2)中将对这点加以说明。
 
(2)流速测量方式
    一般而言,在流体是以管轴为对称轴沿管轴平行的流动时,用图13(a)所示的直接透过法(简称Z法)测量,可以得到好的精度。可是,当流动的方向与管轴不 平行、存在着沿半径方向流动的速度成分W是,在超声波的传播方向产生了Wsinθ的速度成分,这成了流量测量中产生误差的原因。可是,这个误差用同一图的 (b)法所示的反射法(V法)可以避免。当W在P1P2的范围中取为一定时,在超声波脉冲的传播途径P1R和RP2中,速度成分Wsinθ相互抵消。作为 这种方法的变形,在探测回路间隔受限制的场合,可以利用同图的(c)所示的交叉法(X法)。
在直管段长度较短的场合,由于上流侧对流动的影响,上述的测量方式就不十分适用了。在这种情形下,有效的测量方式是增加测量线,也就是增加超声 波传播的途径,例如,像图(13)的(d)所表示的,在垂直相交的二轴上测量流速,取平均值。随着测量线数目的增加测量精度也能提高,一般认为有四条测量 线也就足够了。
也提出图(13)的(e)所示配置多没量线的方案,但用这种方式时,穿过外壁地很困难的(甚至是不可能的),安装超声波收发器的测量管的构造也复杂。
即使采用这种方式,在小口径管道的情况下也不能得到足够的时间差,因此采用图14所示的方式,把超声波传播距离增长。使用这种方式可以进行实流校验,因此,可以保证精度。



 
 
(a)Z法(透过法)

 
 
(b)V法(反射法)

 
 
(c)X法(交叉法)

 
 
(d)2V法

 
 
(e)平行法
图13超声波收发器的基本配置法(a)(b)(c)和多测线构成法(d)(e)。(a)-(d)法可以透过外壁,(e)是接触液体型。
 
 
 
 
 
 
(3)流量计的安装
超声波流量计的 精度有关的因素是多种多样的,而安装超声波收发器的流管(被测管道)的位置是极其重要的。一般是在该位置如图15所示来设置接收箱,其设置的场所应尽可能 远离泵、阀等流动紊乱的地方。泵应离接收箱上流侧50D(D为管道内径)处,而流量控制阀则应为30D,不管那种情况,直管段长度在上流侧需要10D以 上,而下流侧则需要5D左右。
    在超声波传播不稳定时,超声波流量计的 可信度将降低。当然,短时间的不稳定状态可以用“消除异常值回路”等电路的方法除去,但是,在含有过多气泡的液体中,超声波不易透过,可能造成测量的困难 甚至不可能测量。气泡和液体中的异物也是造成超声波传播损耗的原因,当传播距离为1米有5000ppm以上的悬浊物质时,可以用多普勒法等进行稳定的测 量。
    超声波接收器(探头)如图15所示置于流管的正侧面。这样做的理由在于,气泡易于积聚在管道的上方,大的异物则沿管道底部流动,它们都将妨碍超声波的穿透。
    在把接收箱和流量计主机间用同轴电缆连接起来的场合,其间距离太长时将受到外部噪声的影响,因此,在大口径管道的场合,把500米以下作为标准。
 
2.6应用实例
 
    应用传播速度法的超声波流量计主要是以水为测量对象,而在非导电性液体、腐蚀性液体中也得到部分应用,并试图使用于气体中。管径的适用范围为20-5000毫米,而从几米宽的明渠、暗渠直至500米宽的河流皆可使用。一般看来,超声波流量计在测量大流量时较其他流量计有着非常显著的优点。下面举几个实用的例子。
(1)       暗渠的流量测量
暗渠的流量测量的例子如图16所示。在这种场合,方形水渠内充满着水,因次即使用一条测量线进行测量也可得到好的精度。这种水渠一般以混凝土制 的为多,但是,由于混凝土使超声波传播的损耗大,因此在相应的超声波传播的途径部分使用不锈钢钢板。并在探测器的对面的壁上安装上反射板,采用所谓V法以 避免流动偏离管道对称轴所产生的偏流的影响。
 
(2)       明渠流量的测量
与农业用水、下水道有关,明渠被广泛的使用着,为了求得流量,除了测量流量流速外还需要测量水位(水深)。
在图17所示的水位变动不大的情形下,把探头(超声波收发器)固定在能给出平均流速的水深附近(离水面距离为水深的60%的位置),测量该位置 (测量线)的流速。另一方面,预先用实验方法求出取决于水位变化的平均流速和测量流速之比,把这个值通过线性插入法来修正测量流速,通常将其作为真平均流 速(流量/水流截面积之值)输出;将此值与由测量水位得到的水流截面积相乘,以此乘积作为流量由流量运算器输出。
这种方式适用于水位和流速分布一一对应的场合,但是,当这种一一对应关系没有保证的场合,需要使用多测量线才能正确求出平均流速。这种方式现在不仅适用于明渠,也适用于河川。
(3)       水轮机效率的测量
为了测量水利发电厂的水轮机的效率,需要测量水压铁管中流动的水量,过去使用的是皮托管法等。可是,超声波法有下列优点:
可以不用断水、停电的进行测量;
不需要专用的测量时间;
节省人力。这里包括测量准备、测量实施、撤回作业、数据处理等等。
测量的复线性好。
用二直径法测量时精度为±1.2%。
水利发电厂用的流量计是轻便式的,安装于水压铁管的探测器用永久磁铁(磁铁底座)固定,拆卸也很方便。
 
 
3多普勒法
 
3.1原理
 
(1)由单个粒子引起的多普勒频移
应用多普勒效应来测量流速、流量的研究多与血流计有关,已经发表了连续波、脉冲波、M系列调制波等许多方便的文献,而将这种方法用于工业计量测试方面的研究则是尚未很好的进行,现在得到实用的仅是连续波法的零交叉方式,下面主要说明一下这种方式。
    若传播超声波的介质中存在着一个单个的粒子,则它和周围的介质流动的规律一样,以和介质相同的速度V移动。假如给定超声波收发器T、R,把发射频率取为ft,则由于粒子的慢反射,进入超声波接收器的结收频率为fr,静止介质中的声速若取为C,则fr可表示为:
           C+Vcosθ1              V(cosθ1+ cosθ2)
fr=ft                 ≈ft1+[                           ]          (19)
           C-Vcosθ2                     C
这里,后面的式子是C》V时的近似式,θ1、θ2是超声波传播方向和流动方向的夹角,在θ1=θ2=θ的场合,式(19)可表示为:
            2V cosθ
fr=ft(1+             )                                (20)
             C
超声波收发频率之差(命名为多普勒频率)若为fd,则
 
 
由此可知,多普勒频率fd与流速V成正比例。
(2)多个粒子的功率谱线
下面,我们以图18为例研究一下存在许多与介质一起流动的小颗粒的情况。这里超声波接收器R的接收波是从如图所示的照射域(超声波收发器的有效指向角的交叉领域)内的粒子产生的散射波的合成,而照射域的平均流速V可以表示为:
 
 
 
这里,K为比例常数;w=2πfd;fd是各个粒子具有的多普勒频率;S(w)是考虑到照射域内的粒子集合的场合下的功率谱线密度。因此,如果求出了S(w),就可以求出平均流速,把这种设想具体化的测量血流的方法以及使用傅立叶变换法的方式等文献已经发表了。
(3)零交叉方式
所谓零交叉法是把不规则信号的振幅为零的频率(一秒钟内振幅为零的次数)进行计数,并讨论该信号的统计性质,例如平均频率等。多普勒流速计利用了平均多普勒频率和平均流速成正比这种关系。
土18给出了一个零交叉方式流量计的示意图。具有频率为2兆赫的石英振荡器的振荡部分所产生的连续波在电信号发射部分进行电放大,由超声波发声 器T发射出ft=2兆赫的连续超声波。这个超声波被照射域内的粒子所散射,受到了与粒子速度成正比的多普勒频移的散射波入射到接收器中,而一部分原来的频 率ft也被直接收到,接收信号具有的频谱如图所示。把这些接收信号放大,再把它与从本振部分来的连续波混频再检波,当用滤波器取出低频成分时,就可得到多 普勒信号。这个信号也具有如图所示的频谱,从时间上看是如图所示那种不规则的波行。这个多普勒信号的零交叉频率λ可表示为:
 
 
  将这个式子和式(22)比较可知,一般而言,λ和V没有比例关系,因此,用零交叉法在测量大范围内的平均流速方面想取得良好精度(直线性)还是有问题的。
  所以,在用这种流量计时,仅当流速为大致一定的狭小范围、照射域有限时,S(w)才可以看做是直线谱,零交叉频率λ和流速(看做是点流速)有比例关系。因 此,零交叉计数器的输出可以如式(22)所给出的、表示照射域的流速,即测量管中心轴上的流速。其次,如第2.3节第(3)条所说明的,可以利用流量修正 系数得到流量输出。此时的流量修正系数Ka的计算值如图12所示。
 
由式(21)可知,当声速发生变化时,用多普勒法会产生测量误差。可是,使用图18所示的塑料导向板可以避免这种测量误差。由该图可知,当波的折射规律在塑料材料和水的交界面上适用时,由于塑料材料中的声速C1和温度无关,是固定的,则:
 
由此可得:
 
 
以上讨论的是把流速测量点(照射域)选在中心轴上,而把这个测量点选在距管内壁为0.11D(D为内径)处时,可以得到平均流速。对于紊流状态的流速分布,可用对数规律来计算。
 
3.2应用实例
 
   以前说明的传播速度差法仅适,用于比较干净的液体,而多普勒法可适用于液体中含有大量异物和气泡等的场合,因此后者可以用于对下水、排水或者挖泥船的泥水 等的流量、流速进行测量。这里说明一下与超声波水位计组合的下水道流量计,这种流量测量方式也可以适用于一般形状的明渠。
  这个流量计如图19所示,由水位(水深H)和流速Vp可以得到流量Q。把此时的平均流速和用多普勒法测量的点流速Vp之比叫做点修正系数Kp ,这个系数的值可单值的由水深H来确定。由于水流截面积相A是H的函数,所以Kp和A的积Kq=Kp A也成了H的函数,当把H和Kq的关系送到函数发生器里时,则由Q=KqV可以求得流量。
这里,Kp的值可以表示为:
          Kp=〔1+ng1/2R-1/6(Ar+5.75log10       
  这里,n为粗糙系数;R为径深;Ar为由水路形状和水深决定的系数,可由实验确定;Yp为测量点位置。
  由式(6.26)可知,Kp和水面坡度无关,并且,在Kp大约为1时,由于n的变化造成的测量误差非常小。这里,改变Yp的值而计算Kp得到图6.20的关系曲线,可以看出,在一般场合下,在Yp=0.1D(D为管径)左右时,是最合适的。
   实际上,在管渠或明渠中,保证精度和确定精度在多数场合都是很困难的。如能使用已知的贮水槽等的话当然没有问题,而这几乎是不可能的事,再者,用机械式流 速计时由于漂浮物的遮挡不能进行测量。在这样的场合,用多普勒式流速计的分部流量法进行测量是很方便的,分布流量法就是通过测量截面内许多测量点上的点流 速,把点流速乘以分布面积得到分部流量,再对这些分部流量求和的方法。在把流速是1米/秒以上作为满刻度的场合,用这样的方法求得之管渠流量计的精度 为±3%以内,由于这种方法具有的特点是不需要象P-B槽等那样对流路进行节流,特别是不必考虑底部是否积存有沉淀物,因此,在下水、排水流量计中得到广 泛的应用。
   在水中的气泡和悬浊物多而用图6.19所示那样的检测装置时即使在超声波发射、接收的总灵敏度不够高的场合也可以使用多普勒式流速计。此时,把许多流速计固定安放在不同深度测量各点的流速,再应用分部流量法,可以进行感潮部的流量测量。
 
4其他的流量测量方法
 
   除上述方法外,其他测流量的已知较好方法是射束位移法。这种方法在流速与声速比较而言不大时实用上的困难较多。
   以上所介绍的方法是把发出的信号进行接收的所谓有源的方法,也有对信号仅仅进行接收的无源的方法—听音法。
   一般而言,当液体在管道内流动时,在液体中会产生涡流和紊流等,由于液体的剪切作用,在很宽的频率范围内产生了声波甚至是超声波。此时产生的声波或者超声 波的强度与流速成比例,如果用适当的音响测量说产生的声音的大小的话,就可以求得相对流速(流量)。可是,在一般的现场,由于低频振动和电噪声很强,在可 听音范围内信噪比(S/N)非常低,因此,如图6.21所示使用了滤波器,可以在高频范围内不受噪声干扰地进行测量。这种测量方法是只把一个超声波接收器 安装在管道外侧就可以了,由于测量回路也极其简单,所以适用于流动的开关(on—off)的监视。这种方法还有易于得到流速的相对标准的优点,但存在着精 度和稳定性的问题。
 
小结
 
    超声波流量计有多种形式,从精度上看其顺序为传播速度差法、多普勒,听音法适用于辅助测量或开关的监视。
    典型的传播速度差法有声循环法和时间差法,它们都得到了广泛的应用,但在用于含有很多气泡或悬悬浊物的液体时存在着稳定度的问题。在这样的场合用多普勒法有利,可以用来测量下水、排水、泥水等。
    所有的方法都可以在不管是否有自由水面的条件下进行测量,但因为受流速分布的影响,直管段长度在上流侧需要为10—20D,在下流侧需要为5D左右。可 是,如果进行多测量线(点)的测量的话,可以允许缩短这个直管段的长度,在感潮部的流速分布为非恒定的情形下也可以测量。使用这些方法可以在不妨碍流动、 无压力损失的情况下进行测量,这是很大的特点。
     超声波流量计的使用与液体的种类和特性无关,也可以测量气体,特别是在大流量测量时其优点非常显著,从管道外壁可以测量管内流动液体的流量也是其他方法所没有的特点之一。
标签: 湿度校准    
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