時差法超聲波流量計的原理和設(shè)計

1  引言
     超聲波用于氣體和流體的流速測量有許多優(yōu)點。和傳統(tǒng)的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計量精度高、對管徑的適應(yīng)性強、非接觸流體、使用方便、易于數(shù)字化管理等等。近年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，電子元氣件的成本大幅度下降，使得超聲波流量儀表的制造成本大大降低，超聲波流量計也開始普及起來。經(jīng)常有讀者回詢問有關(guān)超聲波流量測量方面的問題。作為普及，我們將陸續(xù)撰寫一些專題文章，來介紹一些相關(guān)知識，以便推廣和普及超聲波流量技術(shù)的普及和提高。本文主要介紹目前最為常用的測量方法：時差法超聲波流量計的原理和設(shè)計。

2        時差法超聲波流量計的原理
時差法超聲波流量計（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如圖1所示。他是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順溜和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，在通過流速來計算流量的一種間接測量方法。

圖1 時差法超聲波流量測量原理示意圖

圖1中有兩個超聲波換能器：順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并相距一定距離，管線的內(nèi)直徑為D，超聲波行走的路徑長度為L,超聲波順流速度為tu,逆流速度為td,超聲波的傳播方向與流體的流動方向加角為θ。由于流體流動的原因，是超聲波順流傳播L長度的距離所用的時間比逆流傳播所用的時間短，其時間差可用下式表示：

其中：c是超聲波在非流動介質(zhì)中的聲速，V是流體介質(zhì)的流動速度，tu和td之間的差為：

式中X是兩個換能器在管線方向上的間距。
為了簡化，我們假設(shè)，流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個小量。即：

上式可簡化為：

也就是流體的流速為：

由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時間差成正比。
流量Q可以表示為：


3        時差法超聲波流量計的設(shè)計
      圖2是我們設(shè)計的超聲波流量計的原理框圖。圖中主要有兩個超聲波發(fā)射單元、一個時間測量單元和一個控制器。他們共同來完成超聲波的發(fā)射、接受和時間差的測量等工作。其他的外圍單元主要是為了測量儀表的參數(shù)設(shè)定、測量數(shù)據(jù)的輸出、顯示和傳送等功能，可參考相關(guān)資料，這里不作介紹。



圖2  超聲波流量計的電原理框圖

4        結(jié)語
     時差法超聲波流量計的換能器安裝方式可以有多種。常見的有外加式和管段式，也有介入式，比如家用煤氣表一般可采用介入式。無論何種安裝方式其原理大同小異。比如介入式就是取上面公式中的θ=0。
     超聲波波用于流體的測量還有其他幾種基于不同原理的測量方法：多卜勒頻移法、相位差法和相關(guān)法等等，各有優(yōu)缺點，可根據(jù)不同的使用條件和計量精度等因素加以選取。
    隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展、超聲波技術(shù)的普及以及產(chǎn)品成本的降低和可靠性的提高，我們相信，超聲波流量儀表將成為流體計量中最為普遍采用的手段。

公式和圖形都看不到。

多普勒法是不是用的很少了？

是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種 ,超聲波技術(shù)的普及以及產(chǎn)品成本的降低和可靠性的提高，我們相信，超聲波流量儀表將成為流體計量中最為普遍采用的手段。