西森自动化:超声波流量计的工作原理

超声波流量计的基本原理

超声波流量计的测量原理就是通过发射换能器产生超声波，超声波以一定的方式穿过流动的流体，超声波在流动的流体中传播时，就载上了流体流速的信息。当接收换能器接收到超声波时就可以检测出流体流速信息的电信号，经信号处理反映出流体的流速。

由此可知，超声波流量计测量原理是通过测量流体的流速来换算成流体的质量流量Qm，其关系式为：

Qm=AρV

式中，流通截面A取决于管道工况和管道状况，密度ρ取决于流体介质及工况，一般都能精确地测量到。所以测量流体的流速V，就是超声波流量计进行流量测量的目的。

超声波流量计常用的换能器是压电换能器，是利用压电材料的压电效应，采用适当的发射电路，把电能加到发射换能器的压电晶片上，使其产生超声波振动，并以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电晶片变成电能，以便检测。发射换能器利用压电晶体的逆压电效应，而接收换能器则利用压电效应。压电晶片为圆形薄片，其直径超过厚度的10倍以保证沿厚度方向振动。压电晶体元件装人换能器（生产厂家一般叫探头）中的声楔中，声楔起固定压电晶体片的作用，以40°左右角度使超声波射入到流体中。声楔材料一般为有机玻璃、橡胶、塑料或胶木，以强度高、耐老化、而且要求超声波透过声楔后能量损失小，希望透视系数尽量接近1为好。

夹装式换能器超声波流量计除了做流速分布修正外，必要时还要做声道角变化影响的修正。声道角Q不但受流体声速影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而，因为一般固体材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条件下对测量精确度的影响可以忽略不计。但是在温度变化范围大的情况下，就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。另外多声道仪表常采用高斯积分法或其他积分法计算流里。

超声波流量计的电子电路包括发射、接收电路和信号处理电路。超声波流量计对信号的发生、传播及检测有各种不同的设置方法，构成了依赖不同原理的超声波流量计。如传播速度差法 (包括时差法、相位差法、频差法）、多普勒法、波束偏移法、噪声法、旋涡法、空间滤波法、流速—液面法及相关法等不同类型的超声波流量计。

基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现，从测量精度和使用最多的超声波流量计要数传播速度法中的频差法和多普勒效应法。这里就以使用最多的频差法和多普勒效应法加以介绍。

传播速度差法

超声波在流动的流体中，顺流传播的时间与逆流传播的时间就像顺水行船与逆水行船一样，存在快慢时间之差。这个时间之差与被测流体的流速有关，求流速的方法，按测量物理量的不同，传播速度差法分为时差法、相位差法和频差法三种。

(1) 时差法

时差法是利用超声波在流体中传播时，因流体流动方向不同而传播速度不同的特点，测量它的顺流传播时间和逆流传播时间的差值从而计算流体流动的速度和流量或将流体流动时和静止时超声波在流体中传播的情况进行比较，由于流速不同同样会使超声波的传播速度发生变化，产生时间差，同理计算出流体流动的速度和流量，此方法多用于大口径超声波的测量。

(2) 相位差法

相位差法是利用时差法中的超声波的相位差与时间差的关系，通过测量顺流和逆流两个方向接收波的相位差实现流体的流速测量，其关系式为：

△φ= 2πf△t

式中△φ——测量顺、逆两个方向接收波的相位差；

f——超声波的发射频率；

△t——顺流和逆流情况下超声波传播时间差。

(3) 频差法

频差法是在时差法和相位差法的基础上发展起来的。它们与流速成正比的常数都与声速有关，而声速随着温度而变化，因而被测流体温度变化就会带来测量误差。而频差法则是由测量顺流一组和逆流另一组发射一接收超声波的闭路循环系统，通过接收到的超声脉冲的循环频率差来反映流量的大小，其比例常数和声速无关。

顺流循环脉冲频率           f顺=（C+v）/L

逆流循环脉冲频率           f逆=（C-v）/L

而顺流、逆流循环脉冲频率差      △f=2v/L

则流速                 v=△f*L/2

因此可通过测量一定时间内两组闭路循环系统中的循环频率之差来测得流速。

频差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，精度较高，所以已在工业流量测量中广泛应用。

(4) 多普勒法

多普勒超声波流量计的测量原理是利用声波的多普勒效应进行测量的。超声波发生器作为一固定声源，随着流体以同速度运动的固体颗粒与声源相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移，由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量。

当多普勒超声波流量计的发射换能器以Q角度向流体发射频率为f1的连续声波时，流体中的悬浮颗粒将声波反射到接收换能器，因为悬浮颗粒的运动，所以反射的超声波将产生多普勒频移△f，如果频移后接收换能器收到的超声波频率为f2，超声波在流体中速度为c，悬浮颗粒与流体速度相同都为v，则多普勒频移为：

△f=2vf1cosQ/c

通过测量△f就可得到流速：

v=c△f/2f1cosQ

多普勒法超声波流量计可测量双向介质的流量，故可用于排污水、含悬浮颗粒、气泡等流体的测量。