超聲波多普勒流量計測量原理

    1．基本工作原理

    超聲波多普勒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(yùn)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(yùn)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(yùn)動的固體顆粒起了與聲源有相對運(yùn)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(yùn)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(shí)際上也是它的一大優(yōu)點(diǎn)，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(yùn)動速度的夾角為

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(yùn)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＝－ f1                            （3－73）

即粒子收到的超聲波頻率為

              f2＝f1－ f1                              （3－74）

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－ f2                              （3－75）

將f2的表達(dá)式代入上式，可得：

             f3＝f1（1－ )²

              ＝f1（1－2＋ ）                （3－76）

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）                           （3－77）

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 f1，可由下式計算：

         f＝f1－f3＝f1－f1（1－2）

                 ＝f1                                   （3－78）

由上式可得流體速度為

             u＝ f                                    （3－79）

體積流量qv可以寫成：

          qv＝uA＝ f                            （3－80）

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 f就可以得到流體流量qv。

    5．關(guān)于流量方程的幾點(diǎn)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3－40所示，根據(jù)折射定理，有：

代入流量關(guān)系式，可得：

            qv＝ f                               （3－81）

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．

    (2)信息窗與平均多普勒頻移

為有效地接收多普勒頻移信號，超聲波多普勒流量計的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見圖3—41所示．由圖中可見，換能器接收到的反射信號只能是發(fā)射晶片和接收晶片的兩個指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)的粒子的反射波，這個重疊區(qū)域稱為多普勒信號的信息窗

圖3－40   聲楔與聲波的折射

流量計接收換能器所收到的信號就是由信息窗中所有流動懸浮粒子的反射波疊加，即其信息窗內(nèi)多普勒頻移為疊加的平均值．平均的多普勒頻移 f可以表示為

          f＝             （I＝1，2，3…）             （3－82）

式中 f——信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；

     Ni——產(chǎn)生多普勒頻移 fi的粒子數(shù)；

     fi－一任一個懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移．

    從上述討論可知，該流量計測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，所以要求信息窗應(yīng)位于管內(nèi)接近平均流速的區(qū)域上，才能使其測量值能反映管內(nèi)流體的

平均流速．但是管內(nèi)平均流速區(qū)域的位置是一與雷諾救有關(guān)的函數(shù)，當(dāng)管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re發(fā)生變化時，其平均流速區(qū)域位置也將改變．而一旦流量計安裝完畢，其多普勒信息窗位置就固定了，為使測得的多普勒頻移信號 f能在不同雷諾數(shù)Re條件下均能正確地反映流量值，在流量計算公式中引入流速修正系數(shù)K．流速修正系數(shù)K是雷諾數(shù)Re和信息窗位置的函數(shù)，用它來對因上述原因引起的測量誤差進(jìn)行修正．因此，超聲波多普勒流量計的實(shí)際流量計算式可以寫成：