超聲波流量計的測量及應用：

    隨著計算機技術的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應用。在生產過程中，應用這一系統(tǒng)可對生產現(xiàn)場的工藝參數(shù)進行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產品質量、降低成本提供信息和手段。數(shù)據(jù)采集就是采集傳感器輸出的模擬信號并轉換成計算機能識別得數(shù)字信號，然后再做進一步處理。

    超聲流量計是通過檢測流體流動對超聲脈沖的作用以測量流量的儀表。

    根據(jù)對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法（直接時差法、時差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。

    超聲流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬*流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點，近年來它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。

    2 超聲波流量計原理

    2.1 組成

    非接觸式超聲波測量系統(tǒng)由兩部分組成：一個超聲波信號換能器和一個遠距安裝的電子發(fā)收器。換能器不斷發(fā)射一系列的超聲波并接收自被檢測的液體或固體表面返回的反射回波。發(fā)收器中的微處理器將信號作進一步處理，并將數(shù)據(jù)作為LCD數(shù)字顯示。

    （1）聲波是機械波的一種，頻率超過2×104Hz的聲波為人耳所昕不到的超聲波頻率。它的波長λ、頻率f與速度c的關系為

    λ=c/f

    （2）超聲波的反射、折射

    當聲波傳播至兩介質的分界面，一部分能重返回原介質，稱為反射波，另一部分能量透過介質面到另一介質面內繼續(xù)傳播，稱為折射波。

    反射定律：

    sinα/sin=c1/c2

    式中，入射角α，入射波速c1，反射角，反射波速c2。

    折射定律：

    sinα/sinβ=cl/c2

    式中，入射角α，折射角β，c1為*介質中波速，c2為第二介質中波速。

    2.2 超聲波流量計的點

    超聲波的顯著征是頻率高，因而波長短、繞射現(xiàn)象小、方向性好。能夠稱為射線而定向傳播。在液體、固體衰減小、穿透本領大，遇到雜質或分界面就會有顯著的反射。超聲波傳感器就是利用超聲波的這些顯著征在許多科學領域及工業(yè)生產中得到了廣泛的應用。

    2.3 超聲波換能器

    超聲波換能器又稱為超聲波探頭，它是實現(xiàn)電能和聲能相互轉換的一種器件。在超聲波檢測技術中，把超聲波發(fā)射出去再接收回來變換成電信號的儀器裝置，就是超聲波換能器，即探頭。用于檢測的超聲波換能器有多種，如壓電型、磁致伸縮型、電磁型、振板型、彈性表面波型等等。檢測技術中，主要采用的壓電型。

    2.4 優(yōu)缺點簡析

    優(yōu)點：

    （1）可做非接觸式測量；
    （2）為無流動阻撓測量，無壓力損失；
    （3）可測量非導電性液體，對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。

    超聲波流量計的z大優(yōu)點就是無需切斷管道，即可作無阻撓流量測量，是真正不接觸介質的流量儀表。

    缺點：

    （1）傳播時間法只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測量含有定量懸浮顆粒和氣泡的液體；
    （2）多普勒法測量精度不高。

    3 應用

    超聲波測量是一種通過測定物位來測量容器儲量的方法。超聲波傳感器自上向物料表面發(fā)送超聲波脈沖，接收從表示反射回來的回波。它測定超聲波的傳播時間，并推算出與反射表面的距離。

    傳播時間是超聲波傳感器與物位之間距離的直觀量綱。聲波的傳播距離是傳播時間和聲速的乘積。如果已知超聲波傳感器的位置，那末就能換算出物位（以及儲量）。空氣中的聲速變化范圍很大，因此，聲波傳感器需要進行溫度補償，如果用于空氣以外的其他氣體，就應該進行相應的標定。

    3.1 測量流量

    在污水處理廠的流量測量儀表中，按照安裝形式分類只有兩種形式的流量計：管道式和明渠式。

    明渠式超聲波流量計是一種在污水處理廠應用很廣泛的流量計。因此我們在這里僅就明渠流量計簡單說明一下，在明渠中液體的流量與槽上某處的液位具有確定的關系，即

    Q=Kbhm

    式中，Q為流量，K為流量系數(shù)（與明渠形狀有關），b為堰口寬度，h為液位高度，m為指數(shù)。

    對于一定形狀的水槽，其中K、b、m的值是一定的，因此只要測量到液位h就可以計算出流量。由此可見，用于明渠流量計量的超聲波流量計實際上是測量液位。

    3.2 測量液位

    超聲波液位計由于屬于非接觸式測量，精度較高，維護量較小，因此在污水處理廠得到了廣泛的應用。

    （1）超聲波液位計測量的工作原理
    
    由圖1可見，將超聲波發(fā)送器/接收器置于液體上方，超聲波向下發(fā)射，穿過空氣介質，在遇到水面時被反射回來，被接收器所接收。由超聲波在介質中傳播的原理可知，若介質壓力、溫度、密度、濕度等條件一定，則超聲波在該介質中的傳播速度是一個常數(shù)。因此， 當測出超聲波由發(fā)射到遇液面反射被接收所需要的時間，則可換算出超聲波通過的路程， 即得到了液位的數(shù)據(jù)。

    （2）超聲波液位計用于污水處理廠格柵的液位差控制

    由于城市污水中的大量雜物，在進水泵房前都設有粗隔柵除污機。在沉砂池上都設有細隔柵除污機。污物的堵塞會使隔柵前后的水位差增加，用由雙探頭超聲波液位計來測量該水位差，并與設定值比較。若大于設定值，輸出繼電器接通，啟動除污機，同時，儀表還可輸出液位信號、液位差信號進行遠傳顯示，如圖2所示。

    （3）超聲波液位計的優(yōu)點

    沒有運動的部件，安裝和維護上都有很大的*性，它可以選氣體、液體或固體作為傳聲介質，因而有較大的適應性，它不僅能定點和連續(xù)測量，而且能方便的進行遙測。

    3.3 氣體測量

    對超聲波流量計的研究已有30年的歷史， 由于技術條件的限制，以前人們研究的主要是超聲波液體流量計。90年代以來，隨著科學技術別是電子技術及傳感器技術的發(fā)展，超聲波氣體流量計才日益受到人們的重視，并開始逐步走向實用化、廣泛化。

    氣體用超聲波流量計因超聲波在固體與氣體界面間的傳播效率低，管道外夾裝換能器難以經管壁傳送足夠的聲能，目前大部分將超聲波換能器伸入管道，直接向氣體發(fā)射和從氣體接受聲波，氣體超聲流量計大部分是由超聲流量傳感器組成，但也有插入式換能器安裝于待測管道的結構。

    多通道超聲波速差法氣體流量計采用聲速差法。通過測量超聲波沿氣流順向及逆向傳播的聲速差，測量各種口徑管道內穩(wěn)態(tài)或脈動氣流的雙向流速、流量。具有測量快速、對氣體無流阻、無壓力損失、量程寬、測量結果不受氣體聲速隨成分、壓力、溫度變化的影響、對大管徑及脈動氣流也能進行正確測量等優(yōu)點，解決了目前大口徑大流量氣體缺乏、便捷計量手段的難題。

    氣體流量計已經應用于蒸汽、儲存交接和財貿核算、住宅天然氣消耗計量等各個領域并顯現(xiàn)出其*的實用性能，得到了各方面的認可，發(fā)展前景可觀。

    3.4 固體應用

    非接觸式超聲波儀器在固體料位測量中具有許多優(yōu)勢，它容易安裝維護、成本效率高，并且能通過模擬或數(shù)字接口提供快速便捷的料位測量。由于數(shù)字信號處理能力的進步和其他技術的進步，當今的超聲波裝置能分析單個數(shù)據(jù)點，從而為大多數(shù)固體料位，甚至動態(tài)條件下的料位測量提供可靠的途徑。

    固體料位測量是需要數(shù)字信號處理與超聲波技術相結合的場合。根據(jù)觀察給定閾值以上的回波來決定料位，應用數(shù)字處理技術使超聲波接收器能對容器中的料位狀態(tài)進行快速拍照，并以圖片的形式存于寄存器中，稱回波曲線。一旦寄存器中得到一個回波曲線，儀器就能對它進行數(shù)據(jù)處理，去偽存真，給出可靠的料位測量值。

    3.5 鑒別液體種類

    超聲波流量計利用超聲波在不同液體中傳播速度之間有差別的物性（例如石油聲速為1295m/s，水為1388m/s），在測量流量的同時鑒別管道中液體的類別。例如：歐洲在船舶卸油入庫常用超聲波流量計測量入庫流量，同時判斷輸送的液體是石油還是油船艙的水。

    4 前景

    英國Cranfield大學研究試圖用于航空業(yè)的超聲波質量流量計，它是傳播時間法超聲體積流量計的基礎上，再利用超聲測得第二參量液體阻抗和密度。演算得質量流量。原型樣機水油實驗表明，流量1800kg/h范圍度50:1時可獲±1%的精度。

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