1、超聲波流量計的結構原理及流量公式計算超聲波流量計是一種新型流量計，它分為能動型和被動型兩大類。能動型根據工作原理 不同又可分為速度差法（超聲波在順流與逆流中傳播速度之差與介質流速有關）、射束位移法（在流體中傳播的超聲波束會因流體的流動而產生偏移，此方法宜測高速流體的流量，準確度較低）和多普勒效應法（對液體中心的懸浮物連續發射超聲波，測量與流束有關的反射波的頻率移動。此方法適用于液體中含有大量異物和氣泡等的場合）。被動型是測量流動產生的聲音，也叫聽音法。本節簡要介紹速度差法。一、超聲波概述超聲波是一種機械波，是機械振動在媒質中的傳播過程。20kHz以上頻率的機械波稱為 超聲波，其波長較短，近似直

2、線傳播，在固體和液體媒質內衰減比電磁波小， 能量容易集中， 可形成較大強度，產生劇烈振動，并能引起很多特殊作用。用來發射和接收超聲波的裝置稱為超聲波換能器，超聲波換能器可分為發射換能器和接收換能器兩大類。發射換能器是使其他形式的能量轉換為超聲波的能量，而接收換能器是使超聲波的能量轉換為其他形式易于檢測的能量。流量測量中常采用壓電換能器，制作壓電換能器的材料有壓電單晶體（如石英）和多晶壓電陶瓷（如鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷等）。壓電片的振動方式有薄片的厚度振動、縱片的長度振動及橫片的長度振動等。二、超聲波流量計原理衛L 超南;皮曲管瓏闔的傳播J2超聲波在順流與逆流中傳播速度之差與介質流速有

3、關， 測得介質流速即可得出流量。超 聲波在順、逆流中傳播情況如圖5-16所示。測定傳播速度差的方法很多， 主要有時間差、 相 位差和頻率差等方法。趙聲波在JRL逆轆中的傳時探K岌肘換鯉器；J律收換鴕尊超聲波在管壁間的傳播軌跡如圖5 - 17所示。三、流量公式1-時間差法設靜止流體中的聲速為 C,流體流速為 W,流體靜止時超聲軌跡與管道軸線之間的夾角 為0 ,管道直徑為d,則I) sirk? f-(1) 順流傳播時間為D sinF 孕=(2) 逆流傳播時間為式中T 超聲波在管壁內和電脈沖信號在電路中傳輸所產生的滯后時間的總和。(3)時間差Q字鐵務2啤 V'OOS'yc即(4)流量

4、公式存在的問題：聲速 C受介質溫度、密度等變化的影響，且聲速的溫度系數并非常數。 當聲速變化時，由此產生的流量測量的相對誤差將等于聲速相對誤差的兩倍；時間差Ar的數量級很小。例如 D=300mm v =1.33m/s, c =1500m/s,0 =20° 時，？t=1 x 10-6s。如果要保證1%的準確度，則要求測量時間差?t達到0.01卩s的準確度，所以對電子線路的要 求很高，并且限制了測量流速的下限。時間差法超聲波流量計原理如圖5 - 18所示。2.相位差法.如果換能器發射連續超聲波或者發射周期較長的脈沖波列，則在順流和逆流發射時接收到的信號之間就產生了相位差？ $ =3 ?t

5、，而3 =2 n f ,則流速公式為c1tan 、tan .v "細D蝕=f W式中3角頻率；? $順流和逆流發射時接收到的超聲波信號之間的相位差。可見相位差和頻率成正比，頻率越高，測量的靈敏度也越高。 采用相位差法可以消除聲速的影響。3.頻率差法在管壁的斜對面固定兩個超聲波換能器，并兼作超聲波發送和接收單元。由一側的換能器產生的超聲波脈沖依次穿過管壁、流體、管壁為另一側的換能器所接收，并轉換為電脈沖，經放大后再用此電脈沖來激發對面的換能器，形成單環自激振蕩，振蕩周期由超聲波在流體中的順流傳播速度決定。周期的倒數即單環頻率。一定時間間隔以后，切換電路使發射換能器切換成接收換能器，接收

6、換能器切換成發射換能器，測出取決于超聲波在逆流中傳播速度的單環頻率。如此循環交替地測出fl、f2。A/= A 八=（1+即誠）Cd式中fl、f2 超聲波在順流和逆流中傳播的頻率; v 流體平均流速。當D、B、t、c為常數時，頻率差？f與流體平均流速成線性關系，因此，只要測出頻 率差即可得到流量。 由于T很小，在大口徑管道中括號內的第二項可忽略，去掉滯后時間T后可得體積流量qv與頻率差?f的關系為W=觀D% - (rLT五面 JfA/= LsKt/o) tanflJA/式中K 流量修正系數，可查表; fo超聲波基準頻率。超聲波流量計屬于 非接觸式測量儀表，對流體流動無干擾，無阻力，不產生壓力損失； 受介質物理性質的限制比較少，適應性較強。它可用于高溫、高壓、防爆、強腐蝕性、黏性、非導電、渾濁度大的液體的流量測量，而且準確度高；量程比較寬，可達5: 1;輸出 與流量之間為線性；安裝方便。只要將管外壁打磨光，擦上硅