超聲波流量計原理

近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快?；诓煌?，適用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現(xiàn)，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門，正日趨成為測流工作的工具。

2超聲波流量計的測量原理

超聲波流量計常用的測量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測量超聲波脈沖順?biāo)骱湍嫠鲿r速度之差來反映流體的流速，從而測出流量；多普勒法的基本原理則是應(yīng)用聲波中的多普勒效應(yīng)測得順?biāo)骱湍嫠鞯念l差來反映流體的流速從而得出流量。

2.1時差法測量原理

時差法測量流體流量的原理如圖1所示。它利用聲波在流體中傳播時因流體流動方向不同而傳播速度不同的特點(diǎn),測量它的順流傳播時間t1和逆流傳播時間t2的差值,從而計算流體流動的速度和流量。 

圖1超聲波流量計測流原理圖

設(shè)靜止流體中聲速為c，流體流動速度為v，把一組換能器P1、P2與管渠軸線安裝成θ角，換能器的距離為L。從P1到P2順流發(fā)射時，聲波傳播時間t1為： 

從P2到P1逆流發(fā)射時，聲波的傳播時間t2為： 

一般c>>v，則時差為： 

單聲道測試系統(tǒng)只適用于小型渠道水位和流速變化不大的場合。大型渠道水面寬、水深大，其流速縱橫變化也較大，須采用多聲道超聲波測流才能獲得準(zhǔn)確的流量值，見圖2。應(yīng)用公式（5）、（6）可測得流量Q。 

以上各式中：d為垂直于水流方向上兩換能器之間水平投影的距離，為聲道數(shù)，S為兩聲道之間的過水?dāng)嗝婷娣e。 

圖2多聲道超聲波流量計測流原理圖

2.2多普勒法測量原理

多普勒法測量原理，是依據(jù)聲波中的多普勒效應(yīng)，檢測其多普勒頻率差。超聲波發(fā)生器為一固定聲源，隨流體以同速度運(yùn)動的固體顆粒與聲源有相對運(yùn)動，該固體顆?？砂讶肷涞某暡ǚ瓷浠亟邮掌?。入射聲波與反射聲波之間的頻率差就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動而產(chǎn)生的聲波多普勒頻移。由于這個頻率差正比于流體流速，所以通過測量頻率差就可以求得流速，進(jìn)而可以得到流體流量，如圖3。 

圖3多普勒超聲波流量計測流原理圖

當(dāng)隨流體以速度v運(yùn)動的顆粒流向聲波發(fā)生器時，顆粒接收到的聲波頻率f1為： 

因此，聲波接收器和發(fā)生器間的多普勒頻移Δf為： 

以上各式中：θ為聲波方向與流體流速v之間的夾角，f0為聲源的初始聲波頻率，c為聲源在介質(zhì)中的傳播速度。若c>>vcosθ則 

式（11）、（12）是按單個顆?？紤]時，測得的流體流速和流量。但對于實際含有大量粒群的水流，則應(yīng)對所有頻移信號進(jìn)行統(tǒng)計處理。超聲波多普勒流量計的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見圖4。換能器接收到的反射信號只能是發(fā)生器和接收器的兩個指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)顆粒的反射波，這個重疊區(qū)域稱為多普勒信號的信息窗。換能器所收到的信號就是由信息窗中所有流動懸浮顆粒的反射波的疊加，即信息窗內(nèi)多普勒頻移為反射波疊加的平均值。

平均多普勒頻移Δ-f可以表示為： 

式中Δ-f——信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；
ΣNi——產(chǎn)生多普勒頻移Δfi的粒子數(shù)；
Δfi——任一個懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移。

由上可知，該流量計測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，因此要求信息窗應(yīng)位于管渠內(nèi)接近平均流速的部位，才能使其測量值反映管渠內(nèi)流體的平均流速。 

圖4多普勒信息窗示意圖

3超聲波流量計的分類

3.1根據(jù)超聲波聲道結(jié)構(gòu)類型可分為單聲道和多聲道超聲波流量計

單聲道超聲波流量計是在被測管道或渠道上安裝一對換能器構(gòu)成一個超聲波通道，應(yīng)用比較多的換能器是外夾式和插入式。單聲道超聲波流量計結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，但這種流量計對流態(tài)分布變化適應(yīng)性差，測量精度不易控制，一般用于中小口徑管道和對測量精度要求不高的渠道。多聲道超聲波是在被測管道或渠道上安裝多對超聲波換能器構(gòu)成多個超聲波通道，綜合各聲道測量結(jié)果求出流量。與單聲道超聲波流量計相比，多聲道流量計對流態(tài)分布變化適應(yīng)能力強(qiáng)，測量精度高，可用于大口徑管道和流態(tài)分布復(fù)雜的管渠。

3.2根據(jù)超聲波流量計適用的流道不同可分為管道流量計、管渠流量計和河流流量計

管道流量計一般是指用于有壓管道的流量計，其中也包括有壓的各種形狀斷面的涵洞，這種流量計一般是通過一個或多個聲道測量流體中的流速，然后求得流量。用于管渠的超聲波流量計除了要具有測流速的換能器以外，還需要有測水位的換能器，根據(jù)測得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量計一般含有多個測速換能器（由聲道數(shù)決定）和一個測水位換能器。多數(shù)河流超聲波流量計僅測流速和水位，而河流的過水流量由用戶根據(jù)河床斷面進(jìn)行計算。

4應(yīng)用研究

結(jié)合國家大型灌區(qū)信息化建設(shè)的研究內(nèi)容，作者在昌樂縣高崖水庫灌區(qū)的北干渠上布設(shè)了4處監(jiān)測站：其中徐家廟監(jiān)測站渠底寬7.0m，水深1.0～2.0m，采用5聲道明渠超聲波流量計監(jiān)測，見圖5。山秦監(jiān)測站將一段明渠改造為有壓管道輸水，管徑是1.4m，采用單聲道管道超聲波流量計監(jiān)測，見圖6。在日照水庫灌區(qū)總干渠上布設(shè)了6個測站，其中石咀監(jiān)測站渠寬4m，水深1.5～2m，采用了多普勒超聲波流量計進(jìn)行監(jiān)測，見圖7。 

圖7石咀測站多普勒超聲波流量計示意圖

各測站采用高精度流速儀對所測的瞬時流量進(jìn)行對比分析。通過比較和個別參數(shù)修訂，各測站測出的瞬時流量穩(wěn)定可靠，與流速儀測出的數(shù)據(jù)有很高的一致性。

5結(jié)束語

超聲波測流技術(shù)以其測量精度高、實時性好的特點(diǎn)越來越得到重視。但因其價格高、專業(yè)性強(qiáng)、維護(hù)管理要求高使其應(yīng)用推廣較慢。隨著國家對水利投入的加大和節(jié)水型社會的建設(shè)，該技術(shù)設(shè)備將很快成為主要測流手段而得到廣泛的應(yīng)用。