超聲波多普勒流量計(jì)測(cè)量原理

    1．基本工作原理

    超聲波多普勒的測(cè)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(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。這個(gè)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對(duì)速度成正比．

    在超聲波多普勒流量測(cè)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(dòng)的固體顆粒起了與聲源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)而產(chǎn)少的聲波多普勒頻移．由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以測(cè)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(cè)量的一個(gè)必要的條件是：被測(cè)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(gè)工作條件實(shí)際上也是它的一大優(yōu)點(diǎn)，即這種流量測(cè)量方法適宜于對(duì)兩相流的測(cè)量，這是其它流量計(jì)難以解決的問題．因此，作為一種極有前途的兩相流測(cè)量方法和流量計(jì)，超聲波多普勒流量測(cè)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(dòng)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(yíng)軸線運(yùn)動(dòng)．對(duì)超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u(píng) 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(píng) 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(jì)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(xiàng)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(jì)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(cè)管道流通截面積．

    出以上流量方程可知，當(dāng)流量計(jì)、管道條件及被測(cè)介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測(cè)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(duì)測(cè)量的影響

由流量方程可見，流雖測(cè)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(cè)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(jì)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(gè)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(cè)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(hào)，超聲波多普勒流量計(jì)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(hào)只能是發(fā)射晶片和接收晶片的兩個(gè)指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)的粒子的反射波，這個(gè)重疊區(qū)域稱為多普勒信號(hào)的信息窗

圖3－40   聲楔與聲波的折射

流量計(jì)接收換能器所收到的信號(hào)就是由信息窗中所有流動(dòng)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(gè)懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移．

    從上述討論可知，該流量計(jì)測(cè)得的多普勒頻移信號(hào)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(cè)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(dòng)的雷諾數(shù)Re發(fā)生變化時(shí)，其平均流速區(qū)域位置也將改變．而一旦流量計(jì)安裝完畢，其多普勒信息窗位置就固定了，為使測(cè)得的多普勒頻移信號(hào) 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(jì)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(duì)因上述原因引起的測(cè)量誤差進(jìn)行修正．因此，超聲波多普勒流量計(jì)的實(shí)際流量計(jì)算式可以寫成：