超聲波多普勒流量計測量原理
2021-12-12 10:20:05|
來源：網(wǎng)絡(luò) 作者：
1．基本工作原理 超聲波多普勒流量計的測量原別是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個因相對運動而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比． 在超聲波多普勒流量測量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，當(dāng)然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收據(jù)．發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產(chǎn)少的聲波多普勒頻移．由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速．進(jìn)而可以得到流體的流量． 因此，超聲波多普勒流量測量的一個必要的條件是：被測流體介質(zhì)應(yīng)是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質(zhì)．這個工作條件實際上也是它的一大優(yōu)點，即這種流量測量方法適宜于對兩相流的測量，這是其它流量計難以解決的問題．因此，作為一種極有前途的兩相流測量方法和流量計，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應(yīng)用． 2．流量方程 假設(shè)，超聲波波束與流體運動速度的夾角為 ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運動速度與流體流速相同，均為u．現(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導(dǎo)出聲波多普勒頻差與流速的關(guān)系式． 如圖3—39所示，當(dāng)超聲波束在管軸線上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營軸線運動．對超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u cos a的速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應(yīng)低于發(fā)射的超聲波頻率f1，降低的數(shù)值為
f2－f1＝－(ucosα/c)f1
即粒子收到的超聲波頻率為f2＝f1－(ucosα/c)f1
式中 f1――發(fā)射超聲波的頻率； a――超聲波束與管軸線夾角； c――流體中聲速。 固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以u cos a 的速度離開接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低，類似于f2的計算，f3可表示為f3＝f2－(ucosα/c)f2
將f2的表達(dá)式代入上式，可得：f3＝f1（1－(ucosα/c))2 ＝f1（1－2(ucosα/c)＋(u2cos2α/c2))
由于聲速c遠(yuǎn)大于流體速度u，故上式中平方項可以略去，由此可得：f3＝f1（1－2(ucosα/c))
接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之差，即多普勒頻移Δf1，可由下式計算：Δf＝f1－f3＝f1－f1（1－2(ucosα/c))＝f1(2ucosα/c)
由上式可得流體速度為u＝(c/2f1cosα)f
體積流量qv可以寫成：qv＝uA＝(Ac/2f1cosα)Δf
式中，A為被測管道流通截面積． 出以上流量方程可知，當(dāng)流量計、管道條件及被測介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測量頻移Δff就可以得到流體流量qv。 5．關(guān)于流量方程的幾點討論 (1)流體介質(zhì)溫度對測量的影響 由流量方程可見，流雖測量結(jié)果受流體中的聲速c的影響．一般來說，流體中聲速與介質(zhì)的溫度、組分等有關(guān)，很難保持為常數(shù)．為了避免測量結(jié)果受介質(zhì)溫度、組分變化的影響，超聲波多普勒流量計一般采用管外聲楔結(jié)構(gòu)，使超聲波束先通過聲楔及管壁再進(jìn)入流體。設(shè)聲楔材料中的聲速為c1；流體中聲速為c；聲波由聲楔進(jìn)入流體的入射角為；在流體中的折射角為；超聲波束與流體流速夾角為a；見圖1所示，根據(jù)折射定理，有： 代入流量關(guān)系式，可得： 由此式可見，采用聲楔結(jié)構(gòu)以后，流量與頻移關(guān)系式中僅含有聲楔材料中的聲速c1而與流體介質(zhì)中的聲速c無關(guān)．而聲速c1溫度變化要比流體中聲速c隨溫度變化小一個數(shù)量極，且與流體組分無關(guān)．所以，采用適當(dāng)材料制造聲楔，可以大幅度提高流量測量的準(zhǔn)確度。
