超聲波流量計(jì)的測(cè)流原理和應(yīng)用

1引言

利用超聲波脈沖測(cè)量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快。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(jì)已相繼出現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門，正日趨成為測(cè)流工作的首選工具。

2超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)常用的測(cè)量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時(shí)差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測(cè)量超聲波脈沖順?biāo)骱湍嫠鲿r(shí)速度之差來(lái)反映流體的流速，從而測(cè)出流量；多普勒法的基本原理則是應(yīng)用聲波中的多普勒效應(yīng)測(cè)得順?biāo)骱湍嫠鞯念l差來(lái)反映流體的流速?gòu)亩贸隽髁俊?

2.1時(shí)差法測(cè)量原理

時(shí)差法測(cè)量流體流量的原理如圖1所示。它利用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(cè)量它的順流傳播時(shí)間t1和逆流傳播時(shí)間t2的差值,從而計(jì)算流體流動(dòng)的速度和流量。

圖1超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

設(shè)靜止流體中聲速為c，流體流動(dòng)速度為v，把一組換能器P1、P2與管渠軸線安裝成θ角，換能器的距離為L(zhǎng)。從P1到P2順流發(fā)射時(shí)，聲波傳播時(shí)間t1為：

從P2到P1逆流發(fā)射時(shí)，聲波的傳播時(shí)間t2為：

一般c>>v，則時(shí)差為：

單聲道測(cè)試系統(tǒng)只適用于小型渠道水位和流速變化不大的場(chǎng)合。大型渠道水面寬、水深大，其流速縱橫變化也較大，須采用多聲道超聲波測(cè)流才能獲得準(zhǔn)確的流量值，見圖2。應(yīng)用公式(5)、(6)可測(cè)得流量Q。

以上各式中：d為垂直于水流方向上兩換能器之間水平投影的距離，為聲道數(shù)，S為兩聲道之間的過水?dāng)嗝婷娣e。

圖2多聲道超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

2.2多普勒法測(cè)量原理

多普勒法測(cè)量原理，是依據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，檢測(cè)其多普勒頻率差。超聲波發(fā)生器為一固定聲源，隨流體以同速度運(yùn)動(dòng)的固體顆粒與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，該固體顆粒可把入射的超聲波反射回接收器。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(yùn)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，所以通過測(cè)量頻率差就可以求得流速，進(jìn)而可以得到流體流量，如圖3。

圖3多普勒超聲波流量計(jì)測(cè)流原理圖

當(dāng)隨流體以速度v運(yùn)動(dòng)的顆粒流向聲波發(fā)生器時(shí)，顆粒接收到的聲波頻率f1為：

因此，聲波接收器和發(fā)生器間的多普勒頻移Δf為：

以上各式中：θ為聲波方向與流體流速v之間的夾角，f0為聲源的初始聲波頻率，c為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若c>>vcosθ則

式(11)、(12)是按單個(gè)顆粒考慮時(shí)，測(cè)得的流體流速和流量。但對(duì)于實(shí)際含有大量粒群的水流，則應(yīng)對(duì)所有頻移信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。超聲波多普勒流量計(jì)的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見圖4。換能器接收到的反射信號(hào)只能是發(fā)生器和接收器的兩個(gè)指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)顆粒的反射波，這個(gè)重疊區(qū)域稱為多普勒信號(hào)的信息窗。換能器所收到的信號(hào)就是由信息窗中所有流動(dòng)懸浮顆粒的反射波的疊加，即信息窗內(nèi)多普勒頻移為反射波疊加的平均值。

平均多普勒頻移Δ-f可以表示為：

式中Δ-f——信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；
ΣNi——產(chǎn)生多普勒頻移Δfi的粒子數(shù)；
Δfi——任一個(gè)懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移。

由上可知，該流量計(jì)測(cè)得的多普勒頻移信號(hào)僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，因此要求信息窗應(yīng)位于管渠內(nèi)接近平均流速的部位，才能使其測(cè)量值反映管渠內(nèi)流體的平均流速。

圖4多普勒信息窗示意圖

3超聲波流量計(jì)的分類

3.1根據(jù)超聲波聲道結(jié)構(gòu)類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計(jì)

單聲道超聲波流量計(jì)是在被測(cè)管道或渠道上安裝一對(duì)換能器構(gòu)成一個(gè)超聲波通道，應(yīng)用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，但這種流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，測(cè)量精度不易控制，一般用于中小口徑管道和對(duì)測(cè)量精度要求不高的渠道。多聲道超聲波是在被測(cè)管道或渠道上安裝多對(duì)超聲波換能器構(gòu)成多個(gè)超聲波通道，綜合各聲道測(cè)量結(jié)果求出流量。與單聲道超聲波流量計(jì)相比，多聲道流量計(jì)對(duì)流態(tài)分布變化適應(yīng)能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，可用于大口徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管渠。

3.2根據(jù)超聲波流量計(jì)適用的流道不同可分為管道流量計(jì)、管渠流量計(jì)和河流流量計(jì)

管道流量計(jì)一般是指用于有壓管道的流量計(jì)，其中也包括有壓的各種形狀斷面的涵洞，這種流量計(jì)一般是通過一個(gè)或多個(gè)聲道測(cè)量流體中的流速，然后求得流量。用于管渠的超聲波流量計(jì)除了要具有測(cè)流速的換能器以外，還需要有測(cè)水位的換能器，根據(jù)測(cè)得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量計(jì)一般含有多個(gè)測(cè)速換能器(由聲道數(shù)決定)和一個(gè)測(cè)水位換能器。多數(shù)河流超聲波流量計(jì)僅測(cè)流速和水位，而河流的過水流量由用戶根據(jù)河床斷面進(jìn)行計(jì)算。

4應(yīng)用研究

結(jié)合國(guó)家大型灌區(qū)信息化建設(shè)的研究?jī)?nèi)容，作者在昌樂縣高崖水庫(kù)灌區(qū)的北干渠上布設(shè)了4處監(jiān)測(cè)站：其中徐家廟監(jiān)測(cè)站渠底寬7.0m，水深1.0～2.0m，采用5聲道明渠超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)，見圖5。山秦監(jiān)測(cè)站將一段明渠改造為有壓管道輸水，管徑是1.4m，采用單聲道管道超聲波流量計(jì)監(jiān)測(cè)，見圖6。在日照水庫(kù)灌區(qū)總干渠上布設(shè)了6個(gè)測(cè)站，其中石咀監(jiān)測(cè)站渠寬4m，水深1.5～2m，采用了多普勒超聲波流量計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見圖7。

圖7石咀測(cè)站多普勒超聲波流量計(jì)示意圖

各測(cè)站采用高精度流速儀對(duì)所測(cè)的瞬時(shí)流量進(jìn)行對(duì)比分析。通過比較和個(gè)別參數(shù)修訂，各測(cè)站測(cè)出的瞬時(shí)流量穩(wěn)定可靠，與流速儀測(cè)出的數(shù)據(jù)有很高的一致性。

5結(jié)束語(yǔ)

超聲波測(cè)流技術(shù)以其測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)越來(lái)越得到重視。但因其價(jià)格高、專業(yè)性強(qiáng)、維護(hù)管理要求高使其應(yīng)用推廣較慢。隨著國(guó)家對(duì)水利投入的加大和節(jié)水型社會(huì)的建設(shè)，該技術(shù)設(shè)備將很快成為主要測(cè)流手段而得到廣泛的應(yīng)用。