超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理及結(jié)構(gòu)

超聲波流量計(jì)是由超聲波換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將此能量發(fā)射到被測(cè)流體中，被接收換能器接收后將之轉(zhuǎn)換為代表流量并易于檢測(cè)的電信號(hào)的儀器。它可以實(shí)現(xiàn)流量的檢測(cè)和顯示。超聲波流量計(jì)內(nèi)部沒有活動(dòng)部件和障礙物，因此帶來(lái)的管道壓力損失基本可以不用考慮。由于測(cè)量的對(duì)象信號(hào)屬于電信號(hào)，因此在現(xiàn)有的電子技術(shù)、微機(jī)計(jì)算能力以及信號(hào)檢測(cè)技術(shù)飛速發(fā)展的條件下，可以獲得很高的測(cè)量進(jìn)度和測(cè)量范圍。超聲波流量計(jì)的計(jì)算精度的主要限制是其獲取的信號(hào)屬于間接信號(hào)，需要經(jīng)過各種換算之后才能推導(dǎo)出*終的流動(dòng)速度和流量，其采用的流動(dòng)模型準(zhǔn)確程度決定了整個(gè)測(cè)量精度的高低。

⑴基本原理

   超聲波對(duì)液體、固體的穿透能力很強(qiáng)，尤其是在陽(yáng)光下不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波在流動(dòng)的流體中的傳播速度與流體的流速有關(guān)。   另外，當(dāng)超聲波碰到流體中的雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生顯著的反射回波，碰到活動(dòng)的物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。根據(jù)這兩種現(xiàn)象，可以制造兩類不同的超聲波流量計(jì)。

①超聲波時(shí)間變化法

   利用超聲波的傳播速度隨流體的流速變化而發(fā)生變化的原理，通過測(cè)超聲波脈沖傳播線路的平均流速就可測(cè)量流速。

②超聲波多普勒法

   利用流體中的微小雜質(zhì)（反射物體）的移動(dòng)速度所產(chǎn)生的超聲波多普勒效應(yīng)，通過測(cè)超聲波束交差區(qū)域的流速（相當(dāng)于點(diǎn)的流速）就可測(cè)量流速。

   超聲波流量計(jì)根據(jù)測(cè)量原理的不同，種類較多，大致可以分為以下幾類：傳播速度法（時(shí)差法、相位差法和頻差法）、多普勒法、相關(guān)法、波束偏移法等。但是目前*常采用的測(cè)量方法主要有兩類：時(shí)差法和多普勒效應(yīng)法。同時(shí)，根據(jù)超聲波流量計(jì)使用場(chǎng)合不同，可以將之分為固定式超聲波流量計(jì)和便攜式超聲波流量計(jì)。下面主要介紹時(shí)差法和多普勒效應(yīng)法兩種方法。

⑵時(shí)差法

   超聲波在流體中傳播時(shí)，傳播速度因流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同（靜止或流動(dòng)）而不同。時(shí)差法就是測(cè)量超聲波脈沖順流和逆流時(shí)傳播的時(shí)間差。若靜止流體中的音速為c，流體流動(dòng)的速度為v，則超聲波的傳播方向與流體的流向一致時(shí)，其傳播速度為c＋v，反之為c-v。

   圖1所示為脈沖傳播速度變化法測(cè)量的原理，將相距為L(zhǎng)的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器T1、T2設(shè)置于流體中，觀測(cè)轉(zhuǎn)換器之間超聲波的傳播時(shí)間。

*先，從T1發(fā)射與流體方向一致的超聲波，其超聲在流體中傳播，設(shè)到達(dá)T2的時(shí)間為t1，再?gòu)腡2逆流發(fā)射超聲波脈沖，設(shè)到達(dá)T1的時(shí)間為t2，則傳播時(shí)間為

流速v的單位一般為m/s，當(dāng)流體為水時(shí)，聲速c為1500m/s，故c＞＞v，則

由于L、c已知，因而流速與傳播的時(shí)間△t成正比，利用這種方法測(cè)量流速的方法稱為時(shí)間法。

⑶多普勒法測(cè)量原理

多普勒效應(yīng)指當(dāng)聲源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率的現(xiàn)象。對(duì)于靜止的接收器，接收從運(yùn)動(dòng)著的物體發(fā)射出來(lái)的波，所接收到的波的頻率取決于波源的速度；向運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射波時(shí)，發(fā)射回來(lái)的波的頻率也取決于運(yùn)動(dòng)物體的速度，頻率的變化與兩者之間的相對(duì)速度成正比。超聲波多普勒流量計(jì)就是基于多普勒效應(yīng)測(cè)量流量的。如圖4所示為多普勒法超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理圖。

⑷超聲波流量計(jì)結(jié)構(gòu)

超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示系統(tǒng)組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中；接收器接收到超聲波信號(hào)后，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)，供給顯示和計(jì)算儀表進(jìn)行顯示和計(jì)算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。

為實(shí)現(xiàn)流量（流速）測(cè)量，*先需要有一個(gè)發(fā)射超聲波的換能器（俗稱超聲波探頭），超聲波換能器通常由鋯鈦酸鉛陶瓷燈壓電材料制成，通過電致伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)來(lái)發(fā)射和接收超聲波。

換能器在管道上的配置方式分為：Z式（透過式）、V式（反射式）和X式（交叉式），如圖5

發(fā)射超聲波時(shí)是利用負(fù)壓電效應(yīng)，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動(dòng)，從而發(fā)出脈沖變化的高頻壓力波（即超聲波）。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由裝在管道對(duì)面的接收換能器接收。接收換能器則利用正壓電效應(yīng)，將高頻壓力波又轉(zhuǎn)換高頻的電脈沖信號(hào)。