超聲波流量計的原理

1．超聲波流量計的基本原理

超聲波在流動的流體中的傳播速度與流體的流速有關。相對于固定座標系(如管壁)，順流的超聲波的傳播速度將大于逆流的傳播速度。為實現流量（流速）測量，首先需要有一個發射超聲波的換能器（俗稱超聲波探頭），通常采用石英等材料制成的壓電元件作為換能器。發射超聲波時是利用負壓電效應，即利用高頻電脈沖的作用，使壓電晶體高頻振動，從而發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，然后由裝在管道對面的接收換能器接受。接受換能器則利用正壓電效應，將高頻壓力波又轉換高頻的電脈沖信號。

可以輪流交替地利用同一個換能器及發射高頻、短時的脈沖壓力波，又用來接收對面換能器發來的脈沖壓力波。可以用一組換能器兼做超聲波的收、發用。由于人耳聽到聲音的上限頻率是20千赫，而此種流量計所收、發的壓力波的頻率是0．5—10兆赫（典型頻率是1MHz）,屬于超聲波范疇，超聲波流量計因此得名。

2.管外夾式時差式液體超聲波流量計的工作原理

該類型流量計利用測量超聲波在管道中傳播時間原理而實現的。介質（液體）在管道中流速，與超聲波沿介質順流和逆流傳播的時間差存在著線性關系。只要分別測量出超聲波順流、逆流的傳播時間，就可以依據線性關系得到沿管道路徑上各點流速的瞬時平均流速。這樣，介質流量則可以通過流速、管道截面積以及雷諾數等得到。

當超聲波束在液體中傳播時，流體的流動將使傳播時間產生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，由此可求出液體的流速。在待測流量管道外表面上，按一定相對位置安裝一對超聲探頭。安裝方式分為“Z”法和“V”法。一個探頭受電脈沖激勵產生的超聲脈沖，經管壁—流體—管壁為第二探頭所接收。從發至收超聲脈沖傳播時間，依其順逆流向分別為：

忽略聲波在聲楔，管壁及處理電路中的時延t
根據（1）~（8）式,可得出流體沿直徑方向上的平均流速：
瞬時流量：單位時間流過流體管道橫截面的流體流量，常用單位:m3/h。
累計流量：在一段時間內流過管道橫截面的流體流量（積分流量）常用單位:m3。
 

超聲波流量計的原理其中： L——聲程
M——聲束在液體中的傳播次數
       D——管道內徑
θ—超聲波束入射角 
C0——靜止時流體聲速
V——管內流體沿管軸向的平均流速
TUP——聲束在正方向上的傳播時間
TDOWN——聲束在逆方向上的傳播時間
△T——聲束在正逆兩個方向上的傳播時間差
3．超聲波流量計的基本性能
（1）    實現了非接觸在線測量(外夾式傳感器)。
（2）    無阻力無壓力損失，無深度插入部件，無可動部件，不影響介質流動參數和狀態。
（3）    安裝位置靈活，直管段要求上游10D，下游5D。
（4）    測量范圍寬廣，既可測量小管徑（100mm以下），又可測量大管徑（最大到6000mm），性價比高。儀表對介質流速的高靈敏度，使得測量極慢或快速流動介質時，均可滿足精度要求。
（5）    可以不斷流拆裝、維修、在線維修極為方便。
（6）    適用于各種工作環境，可在高低溫、潮濕、粉塵、振動等環境下長期穩定地工作，一次安裝，長期使用，維修量極少。
以上這些特性是由超聲波流量計的原理所決定的。

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