西森自动化:多普勒超声波流量计

   多普勒超声波流量计采用多普勒法测量原理，依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随着流体以同一速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波发射回接收器。入射声波与发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的频率频移， 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。

超声波多普勒流量测量的一个必要条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质，这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜对于两相流的测量，这是其他流量计（质量流量计除外）难以解决的问题。因此，作为一种极有前途的两相流测量方法的流量计，超声波多普勒流量测量方法目前正日益得到广泛应用。

多普勒超声波流量计与其他超声波流量计一样，采用传感器装在管道外，管道内无测量元件，所以无流动压力损失、不存在破坏流场，不受被测流体的状态参数和物性参数等因素的影响， 响应灵敏、分辨率髙，没有零点漂移。维护、安装时不影响生产。但是测量精度受流体中颗粒的大小、浓度、流动状态等因素的影响。

多普勒法测量从原理上讲，随流体一起运动的许多颗粒都应该会引起多普勒频移，所以多普勒超声波流量计流量的测量原理可以分为两步探讨：

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，则多普勒频移见式，通过测量△f就可得到流速见式。

v=c△f/2f1cosQ

以上公式是按单个颗粒考虑时，测得的多普勒频移和流体速度。

但是对于实际含有大量粒群的液体，则应对所有频移信号进行统计处理。超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，如图所示。

换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。平均多普勒频移△f可以表示为：

△f(_) =∑Ni△fi/∑Ni（i= l, 2, 3, •••）

式中 △f(_)——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；

    ∑N_i——产生多普勒频移△f_i的粒子数；

△f_i——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。

这就说明了，在照射域内颗粒产生的散射波的合成应该是接收换能器所接收的发射信号，在这种情况下当流通截面积为A时，流体中的声速C容易受到温度的影响，设声束在声楔中速度为C₁，如图所示，根据折射定律：

C/cosQ=C/sinQ3=C1/sinQ1=C1/cosQ2

由此可知，流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，因此要求信息窗应位于管内接近平均流速的位置，才能使其测量反映管内流体的平均流速。但是管内平均流速区域的位置是一与雷诺数有关的函数，当管内流动的雷诺数Re发生变化时，其平均流速区域位置也将改变，而且一旦流量计安装完毕，其多普勒信息窗位置就固定了，为了使测得的多普勒频移信号△f能在不同雷诺数Re条件下均能正确地反映流量值，在流量计的计算公式中引入了流速修正系数K，流速修正系数K是雷诺数Re和信息窗位置的函数，用它来对因上述原因引起的测量误差进行修正。因此，超声波多普勒流量计的实际流量计算式可以写成：

q_v=AC₁△f(__)/（2KcosQ₂f₁）

多普勒超声波流量计由换能器和信号处理、检测、显示两大部分组成。

换能器的结构与前面讲到的频差法换能器是一样的，也是由晶体片和声楔组成。超声波流量计一般都采用两种形式，一种方式是制成换能器带测量管式的流量计，生产厂生产调校时就已保证了发射换能器与接收换能器的对称性，使照射域处于管道的中心位置，由于测量管与声楔的相对位置已调好，流量计只要直接安装就可使用。而另一种收发一体结构的超声换能器，虽然接收换能器与发射换能器的相对位置也是固定的，但由于采用夹装式换能器直接夹装在管道上，就存在正确确定夹装位置和调整的问题。多普勒法超声波流量计使用的折射式换能器与传播时间法所用的夹装式换能器的发射频率等技术性能不同，不能混用，然而两者适用管道条件是基本相同的，这里特别提醒大家要引起注意。

多普勒超声波流量计的信号检测方式主要是通过混频或直接耦合获得多普勒频移这两种方法。混频方式的多普勒频移的零交叉频率与照射域的平均流速没有成正比,所以只有在照射域有限小时，才有测量的意义，即测量管道中心轴上的流速，因此使用这种测量方法时，应该对管道内流速的分布进行修正来保证精度。直接耦合方式不采用混频器，而利用直接耦合方式进行拍频同样可获得多普勒频移信号。对收发一体结构的换能器，直耦信号一般均大于反射信号，拍频信号很弱，需要进行必要的选频放大并使直耦信号具有合适的大小匹配。

典型的多普勒超声波流量计基本误差为±1%〜±10%,重复性误差为0.2%〜1%。工业用多普勒超声波流量计的超声波频率 为 0.5〜2MHz。

多普勒超声波流量计因受散粒体的性质、非轴向速度分量形成的多普勒频移增宽、被照射域位置的不确定性、散射体和基相液体间的滑差的影响，整体性能要比传播时间法低得多。

随着科技的发展，多普勒超声波流量计已经研制出现只需要一个换能器（即是发射探头也是接收探头）。其原理是：传感器探头首先发射高频声波通过管壁而进入流体，然后声波被流体中的气泡或颗粒反射回传感器探头，因流体的流动，反射波以一个频率差返回（多普勒效应）。传感器探头连续测量这种频率差而实现对流体的测量，其最大特点是声波的发射和接收可以在同一个传感器探头内实现。

现超声波流量计的标准较多，有CJ/T 122—2000《超声多普勒流量计》；HJ/T 366—2007《环境保护产品技术要求  超声波管道流量计》；MT/T 526—1995《LCD系列多普勒超声波流量计》。