時差法超聲波流量計的原理和設計

1  引言
     超聲波用于氣體和流體的流速測量有許多優點。和傳統的機械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計量精度高、對管徑的適應性強、非接觸流體、使用方便、易于數字化管理等等。近年來，由于電子技術的發展，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。經常有讀者回詢問有關超聲波流量測量方面的問題。作為普及，我們將陸續撰寫一些專題文章，來介紹一些相關知識，以便推廣和普及超聲波流量技術的普及和提高。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）收發超聲波，通過觀測超聲波在介質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并相距一定距離，管線的內直徑為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中的聲速，V是流體介質的流動速度，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，流體的流速和超聲波在介質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計
      圖2是我們設計的超聲波流量計的原理框圖。圖中主要有兩個超聲波發射單元、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設定、測量數據的輸出、顯示和傳送等功能，可參考相關資料，這里不作介紹。



圖2  超聲波流量計的電原理框圖

4        結語
     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、相位差法和相關法等等，各有優缺點，可根據不同的使用條件和計量精度等因素加以選取。
    隨著電子技術的迅速發展、超聲波技術的普及以及產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。

是近十幾年來隨著集成電路技術迅速發展才開始應用的一種 ,超聲波技術的普及以及產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。