梁黎黎 (安徽建筑工業(yè)學(xué)院數(shù)理系,安徽合肥230001)

1 多普勒式超聲波流量計(jì)原理

圖1 多普勒式示意圖

圖2 多普勒式原理圖

圖1是多普勒式超聲波流量計(jì)的原理示意圖 (用的發(fā)射器和接收器為同一個(gè)點(diǎn),根據(jù)安裝方法的不同,發(fā)射器、接收器也可以相對位置改變)。含雜質(zhì)的流體以u速度沿管道流動(dòng),流體主要為液體,超聲波在流體中速度用v表示,超聲波發(fā)射探頭和接收探頭同為一個(gè)壓電換能器,超聲波的發(fā)射方向v與流體速度u方向夾角用θ表示 (圖2),超聲波在流體中的傳播速度由流體介質(zhì)的特性決定,隨著流體的溫度或成分的改變,超聲波的傳播速度有所變化,但相對u的大小都是很大的,可以認(rèn)為|v|?|u|,超聲波在流體內(nèi)傳播的過程中,會(huì)與流體中的雜質(zhì)相遇,雜質(zhì)與流體之間有界面存在,對超聲波形成反射,壓電換能器會(huì)接受部分反射波,換能器可以把聲波轉(zhuǎn)換成電信號,通過對發(fā)射波與反射波頻率的對比,可以得出流體的流速,從而得出流量。

超聲波發(fā)射的頻率用 f1表示,在超聲波傳播速度v方向有速度分量ucosθ,可以理解為雜質(zhì)以ucosθ速度相對波源在波速方向上運(yùn)動(dòng),利用多普勒方程雜質(zhì)接收到的超聲波頻率f2為:

接收器接收到的雜質(zhì)反射的超聲波的頻率f3為:

發(fā)射器、接收器的頻率差為:

由|v|?|u|得壓電換能器探頭接收波與發(fā)射波的頻率差Δf:

從而得流體速度:

流量方程為:

式中,S表示管道橫截面積;Q表示流量結(jié)果。

式 (1)～(6)分析的為含雜質(zhì)的滿管流體的流量問題,現(xiàn)實(shí)中可能出現(xiàn)流體只有管道的一部分,可以另外用超聲波測出流體高度,進(jìn)一步修正流量,后面再進(jìn)一步討論。

2 時(shí)差式超聲波流量計(jì)原理

時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用2臺壓電換能器相互向?qū)Ψ桨l(fā)射超聲波,對方接收并記錄時(shí)間差,由于聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的速度不同,時(shí)間差可以準(zhǔn)確反映流體速度,從而推算出流量。這種方法多用于純凈液體或氣體的測量。圖3為時(shí)差式流量計(jì)示意圖。

圖3 時(shí)差式流量計(jì)示意圖

換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號,這是順流方向,其傳播用時(shí)間t1為:

反之,逆流方向的傳播時(shí)間t2為:

時(shí)間差為:

由于v?u,所以流速:

進(jìn)而求得流體流量:

3 實(shí)際應(yīng)用中的修正

上面分析的是理想狀態(tài)的管道流量,實(shí)際應(yīng)用中常出現(xiàn)管道不滿、流速不均、雜質(zhì)成分復(fù)雜多變的情況,上面的分析要加以修正,下面從管道內(nèi)介質(zhì)不滿、流速不均2方面加以討論。

1)管道內(nèi)介質(zhì)不滿 對于管道內(nèi)介質(zhì)不滿的情況,可以增加一組超聲波深度探測儀解決,如圖4所示,主要用于修正管道流量的橫截面大小。這種安裝方法對于較單一的流體有用,如果流體雜質(zhì)較多,可以采用將超聲波深度探測儀放置于管道上方,測量管道中空氣層的厚度,推算出流體的厚度從而得出流體橫截面積。

2)管道內(nèi)流速不均 對于粘滯系數(shù)較大的流體,會(huì)出現(xiàn)管道內(nèi)流速不均的現(xiàn)象,可以采用多組超聲波流量計(jì)測量的方法,分別測出ds面內(nèi)流速,從而推算出整個(gè)管道的流量,如圖5所示。

圖4 對流體非滿充狀態(tài)下的修正示意圖

圖5 多路超聲波流量計(jì)同時(shí)測量

4 安裝方法

按超聲波流量計(jì)的測量監(jiān)測時(shí)間長短分為固定式和便攜式,2種對信號的采集傳輸、電源的要求、安裝方式上有所不同,主要根據(jù)對管道流量的測量要求而定。固定式適合長期監(jiān)測跟蹤某固定點(diǎn)的流量,要求電源穩(wěn)定,對采集的信號要有存儲、傳輸?shù)哪芰?便攜式一般電池供電就可以了,信號采集通常人工完成,對信號存儲、傳輸能力要求不高。從安裝方法上分為:外貼式、插入式。外貼式方便靈活,但有時(shí)粘貼不牢有空氣縫隙存在,產(chǎn)生誤差;插入式安裝可靠但安裝方法上要求在管道上鉆孔,或斷管處理,安裝比較繁瑣但安裝后一般可靠性較好。從安裝位置上分為對貼方式、V式、Z式,如圖6所示。

圖6 流量計(jì)探頭安裝位置示意圖

對貼式中發(fā)射波的傳輸方向的改變,是由流體內(nèi)雜質(zhì)反射帶來的,所以對貼式多適用于含雜質(zhì)的流體,對貼式、V式適合多普勒型的流量儀,V式、Z式多用在密度均勻的流體中,適合時(shí)差式流量儀。從信號的強(qiáng)度損耗來看,對貼式和V式超聲波在流體中傳播路徑較長,損耗大,這2種適合管徑較小 (?≤0.2m)的管道,對大管徑的管道 (?＞0.2m)一般以Z方式居多,這種方式信號能量損耗小、強(qiáng)度高,穩(wěn)定性相對較高。

安裝之后對每一臺新裝超聲波流量計(jì)要及時(shí)進(jìn)行核校,做到選位準(zhǔn)確、安裝牢固、測量可靠;對在線運(yùn)行的超聲波流量計(jì)發(fā)生流量突變時(shí),要同時(shí)采集位置前后的流量計(jì)的數(shù)據(jù),分析數(shù)據(jù)變化,判斷是管道流量的變化引起的還是流量計(jì)故障引起數(shù)據(jù)突變,對流量計(jì)故障要及時(shí)排查。

超聲波流量計(jì)的維護(hù)量與其他流量儀表相比,是比較小的。對于外貼換能器超聲波流量計(jì),安裝正常后無液體壓力損失,無潛在漏液,只需定期檢查換能器是否松動(dòng)、與管道之間的粘合劑是否良好即可;對插入式超聲波流量計(jì),要定期清理探頭上沉積的雜質(zhì)、漏液現(xiàn)象;如果是一體式超聲波流量計(jì),要檢查流量計(jì)與管道之間的法蘭鏈接是否良好,并考慮現(xiàn)場溫度和濕度對其電子部件的影響等。定期維護(hù)可以確保超聲波流量計(jì)的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié) 語

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展,超聲波流量計(jì)也在多個(gè)領(lǐng)域有了越來越多的發(fā)展,超聲波流量計(jì)具有高精確度和低成本,不論是從技術(shù)上還是從經(jīng)濟(jì)上看,超聲波測量儀器都是流量測量的理想選擇。通過多通道和數(shù)字信號處理,超聲波測量儀可以實(shí)現(xiàn)很高的測量精確度,其高靈敏度使其可以檢測到管道中的任何泄漏。

[1]孔瓏.工程流體力學(xué) [M].北京:中國電力出版社,1992.

[2]羅守南.基于超聲多普勒方法的管道流量測量研究 [D].北京:清華大學(xué),2004.

[3]祝海林.管道流量非接觸測量——方法與技術(shù) [M].北京:氣象出版社,1999.