012曾道人三尾中特书
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超声波流量计的基本原理


 

研发部 ZLH
    超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。相对于固定座标系(如管壁),顺流的超声波的传播速度将大于逆流的传播速度。为实现流量(流速)测量,首先需要有一个发射超声波的换能器(俗称超声波探头),通常采用石英等材料制成的压电元件作为换能器。发射超声波时是利用负压电效应,即利用高频电脉冲的作用,使压电晶体高频振动,从而发出脉冲变化的高频压力波(即超声波)。超声波以某一角度射入流体中传播,然后由装在管道对面的接收换能器接受。接受换能器则利用正压电效应,将高频压力波又转换成高频的电脉冲信号。可以轮流交替地利用同一个换能器及发射高频、短时的脉冲压力波,又用来接收对面换能器发来的脉冲压力波。可以用一组换能器兼做超声波的收、发用。
由于人耳听到声音的上限频率是20千赫,而此种流量计所收、发的压力波的频率是0.5~10兆赫(典型频率是1 MHz),属于超声波范畴,超声波流量计因?#35828;?#21517;。
    该类型流量计利用测量超声波在管道中传播时间原理而实现的。介质(液体)在管道中的流速,与超声波沿介质顺流和逆流传播的时间差存在着线性关系。只要分别测量出超声波顺流、逆流的传播时间,就可以依据线性关系得到沿管道路径上各点流速的瞬时平均流速。这样,介质流量则可以通过流速、管道截面积以及?#30528;?#25968;等得到。
超声波流量计的历史
(1)1928年德国人研制成功第一台超声波流量计,并取得了专利。至今超声波流量计已有75年历史。
(2)1955年首先应用于马克森(MAXSON)流量计测量航空燃烧油,这是一种基于声循环法的两组探头(换能器)组成的液体流量计。
(3)1958年A.L.H-ERDRICH等人发明折射式探头,由于他们的研究?#23665;?#19968;步消除由于管壁的?#25442;?#22238;响所产生的相位失真,也为管外夹装提供了理论依据。
    进入20世纪七十年代以后,由于集成电路和锁相环路技术的发展,使超声波流量计得以克服以前的精确度不高,响应慢,稳定性与可靠性差等致命弱点,使实用的超声波流量计得以发展。
    近20年来特别是近10年来,基于高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展,基于新型探头材料与工艺的研究以及声道配置与流量动力学的研究,超声流量测量技术取得?#39034;?#36275;进展,显示了强劲的技术优势,发展势头?#35813;汀?000年在巴西召开的国际流量测量学术会议(FLOMEK~O‘2000)上共宣读学术论文集103篇,其中直?#30001;?#21450;超声波流量计及超声波技术的论文20篇,约占论文总数的1/5。在历次国际流量学术会议上,采用超声波流量计作为传递标准的文?#23376;从?#22810;,可见超声波流量计其潜在的巨大的生命力。
超声波流量计的分类
(1) 按原理分:
      A.传播速度差法:
         a.时差法(目前最常采用此法) b.频差法(声环法) c.相位差法
      B.多普勒法(目前最常采用此法)
      C.相关法
      D.射束位移
      E.涡街法

(2)按探头(换能器)安装方式分:
      A.外夹式
      B.插入式(即湿式)又分为:
         a. 带测量管段的
         b.不带测量管段,直接在工艺管段上实现安装的。
(3)按声道数目划分:
      A.单声道
      B.多声道(2~8声道)
(4)按性能分;
      A.标准型 B.固定式 C.便携式 D.低?#36335;?#27700;型 E.其他



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