超聲波流量計(jì)的測(cè)量及應(yīng)用

超聲波流量計(jì)的測(cè)量及應(yīng)用：

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也迅速地得到應(yīng)用。在生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)進(jìn)行采集、監(jiān)視和記錄，為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供信息和手段。數(shù)據(jù)采集就是采集傳感器輸出的模擬信號(hào)并轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別得數(shù)字信號(hào)，然后再做進(jìn)一步處理。

    超聲流量計(jì)是通過(guò)檢測(cè)流體流動(dòng)對(duì)超聲脈沖的作用以測(cè)量流量的儀表。

    根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法（直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。

    超聲流量計(jì)和電磁流量計(jì)一樣，因儀表流通通道未設(shè)置任何阻礙件，均屬*流量計(jì)，是適于解決流量測(cè)量困難問(wèn)題的一類流量計(jì)，別在大口徑流量測(cè)量方面有較突出的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)它是發(fā)展迅速的一類流量計(jì)之一。

    2 超聲波流量計(jì)原理

    2.1 組成

    非接觸式超聲波測(cè)量系統(tǒng)由兩部分組成：一個(gè)超聲波信號(hào)換能器和一個(gè)遠(yuǎn)距安裝的電子發(fā)收器。換能器不斷發(fā)射一系列的超聲波并接收自被檢測(cè)的液體或固體表面返回的反射回波。發(fā)收器中的微處理器將信號(hào)作進(jìn)一步處理，并將數(shù)據(jù)作為L(zhǎng)CD數(shù)字顯示。

    （1）聲波是機(jī)械波的一種，頻率超過(guò)2×104Hz的聲波為人耳所昕不到的超聲波頻率。它的波長(zhǎng)λ、頻率f與速度c的關(guān)系為

    λ=c/f

    （2）超聲波的反射、折射

    當(dāng)聲波傳播至兩介質(zhì)的分界面，一部分能重返回原介質(zhì)，稱為反射波，另一部分能量透過(guò)介質(zhì)面到另一介質(zhì)面內(nèi)繼續(xù)傳播，稱為折射波。

    反射定律：

    sinα/sin=c1/c2

    式中，入射角α，入射波速c1，反射角，反射波速c2。

    折射定律：

    sinα/sinβ=cl/c2

    式中，入射角α，折射角β，c1為*介質(zhì)中波速，c2為第二介質(zhì)中波速。

    2.2 超聲波流量計(jì)的點(diǎn)

    超聲波的顯著征是頻率高，因而波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小、方向性好。能夠稱為射線而定向傳播。在液體、固體衰減小、穿透本領(lǐng)大，遇到雜質(zhì)或分界面就會(huì)有顯著的反射。超聲波傳感器就是利用超聲波的這些顯著征在許多科學(xué)領(lǐng)域及工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。

    2.3 超聲波換能器

    超聲波換能器又稱為超聲波探頭，它是實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種器件。在超聲波檢測(cè)技術(shù)中，把超聲波發(fā)射出去再接收回來(lái)變換成電信號(hào)的儀器裝置，就是超聲波換能器，即探頭。用于檢測(cè)的超聲波換能器有多種，如壓電型、磁致伸縮型、電磁型、振板型、彈性表面波型等等。檢測(cè)技術(shù)中，主要采用的壓電型。

    2.4 優(yōu)缺點(diǎn)簡(jiǎn)析

    優(yōu)點(diǎn)：

    （1）可做非接觸式測(cè)量；
    （2）為無(wú)流動(dòng)阻撓測(cè)量，無(wú)壓力損失；
    （3）可測(cè)量非導(dǎo)電性液體，對(duì)無(wú)阻撓測(cè)量的電磁流量計(jì)是一種補(bǔ)充。

    超聲波流量計(jì)的z大優(yōu)點(diǎn)就是無(wú)需切斷管道，即可作無(wú)阻撓流量測(cè)量，是真正不接觸介質(zhì)的流量?jī)x表。

    缺點(diǎn)：

    （1）傳播時(shí)間法只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測(cè)量含有定量懸浮顆粒和氣泡的液體；
    （2）多普勒法測(cè)量精度不高。

    3 應(yīng)用

    超聲波測(cè)量是一種通過(guò)測(cè)定物位來(lái)測(cè)量容器儲(chǔ)量的方法。超聲波傳感器自上向物料表面發(fā)送超聲波脈沖，接收從表示反射回來(lái)的回波。它測(cè)定超聲波的傳播時(shí)間，并推算出與反射表面的距離。

    傳播時(shí)間是超聲波傳感器與物位之間距離的直觀量綱。聲波的傳播距離是傳播時(shí)間和聲速的乘積。如果已知超聲波傳感器的位置，那末就能換算出物位（以及儲(chǔ)量）?？諝庵械穆曀僮兓秶艽?，因此，聲波傳感器需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，如果用于空氣以外的其他氣體，就應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定。

    3.1 測(cè)量流量

    在污水處理廠的流量測(cè)量?jī)x表中，按照安裝形式分類只有兩種形式的流量計(jì)：管道式和明渠式。

    明渠式超聲波流量計(jì)是一種在污水處理廠應(yīng)用很廣泛的流量計(jì)。因此我們?cè)谶@里僅就明渠流量計(jì)簡(jiǎn)單說(shuō)明一下，在明渠中液體的流量與槽上某處的液位具有確定的關(guān)系，即

    Q=Kbhm

    式中，Q為流量，K為流量系數(shù)（與明渠形狀有關(guān)），b為堰口寬度，h為液位高度，m為指數(shù)。

    對(duì)于一定形狀的水槽，其中K、b、m的值是一定的，因此只要測(cè)量到液位h就可以計(jì)算出流量。由此可見，用于明渠流量計(jì)量的超聲波流量計(jì)實(shí)際上是測(cè)量液位。

    3.2 測(cè)量液位

    超聲波液位計(jì)由于屬于非接觸式測(cè)量，精度較高，維護(hù)量較小，因此在污水處理廠得到了廣泛的應(yīng)用。

    （1）超聲波液位計(jì)測(cè)量的工作原理
    
    由圖1可見，將超聲波發(fā)送器/接收器置于液體上方，超聲波向下發(fā)射，穿過(guò)空氣介質(zhì)，在遇到水面時(shí)被反射回來(lái)，被接收器所接收。由超聲波在介質(zhì)中傳播的原理可知，若介質(zhì)壓力、溫度、密度、濕度等條件一定，則超聲波在該介質(zhì)中的傳播速度是一個(gè)常數(shù)。因此， 當(dāng)測(cè)出超聲波由發(fā)射到遇液面反射被接收所需要的時(shí)間，則可換算出超聲波通過(guò)的路程， 即得到了液位的數(shù)據(jù)。

    （2）超聲波液位計(jì)用于污水處理廠格柵的液位差控制

    由于城市污水中的大量雜物，在進(jìn)水泵房前都設(shè)有粗隔柵除污機(jī)。在沉砂池上都設(shè)有細(xì)隔柵除污機(jī)。污物的堵塞會(huì)使隔柵前后的水位差增加，用由雙探頭超聲波液位計(jì)來(lái)測(cè)量該水位差，并與設(shè)定值比較。若大于設(shè)定值，輸出繼電器接通，啟動(dòng)除污機(jī)，同時(shí)，儀表還可輸出液位信號(hào)、液位差信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳顯示，如圖2所示。

    （3）超聲波液位計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

    沒有運(yùn)動(dòng)的部件，安裝和維護(hù)上都有很大的*性，它可以選氣體、液體或固體作為傳聲介質(zhì)，因而有較大的適應(yīng)性，它不僅能定點(diǎn)和連續(xù)測(cè)量，而且能方便的進(jìn)行遙測(cè)。

    3.3 氣體測(cè)量

    對(duì)超聲波流量計(jì)的研究已有30年的歷史， 由于技術(shù)條件的限制，以前人們研究的主要是超聲波液體流量計(jì)。90年代以來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)別是電子技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，超聲波氣體流量計(jì)才日益受到人們的重視，并開始逐步走向?qū)嵱没?、廣泛化。

    氣體用超聲波流量計(jì)因超聲波在固體與氣體界面間的傳播效率低，管道外夾裝換能器難以經(jīng)管壁傳送足夠的聲能，目前大部分將超聲波換能器伸入管道，直接向氣體發(fā)射和從氣體接受聲波，氣體超聲流量計(jì)大部分是由超聲流量傳感器組成，但也有插入式換能器安裝于待測(cè)管道的結(jié)構(gòu)。

    多通道超聲波速差法氣體流量計(jì)采用聲速差法。通過(guò)測(cè)量超聲波沿氣流順向及逆向傳播的聲速差，測(cè)量各種口徑管道內(nèi)穩(wěn)態(tài)或脈動(dòng)氣流的雙向流速、流量。具有測(cè)量快速、對(duì)氣體無(wú)流阻、無(wú)壓力損失、量程寬、測(cè)量結(jié)果不受氣體聲速隨成分、壓力、溫度變化的影響、對(duì)大管徑及脈動(dòng)氣流也能進(jìn)行正確測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，解決了目前大口徑大流量氣體缺乏、便捷計(jì)量手段的難題。

    氣體流量計(jì)已經(jīng)應(yīng)用于蒸汽、儲(chǔ)存交接和財(cái)貿(mào)核算、住宅天然氣消耗計(jì)量等各個(gè)領(lǐng)域并顯現(xiàn)出其*的實(shí)用性能，得到了各方面的認(rèn)可，發(fā)展前景可觀。

    3.4 固體應(yīng)用

    非接觸式超聲波儀器在固體料位測(cè)量中具有許多優(yōu)勢(shì)，它容易安裝維護(hù)、成本效率高，并且能通過(guò)模擬或數(shù)字接口提供快速便捷的料位測(cè)量。由于數(shù)字信號(hào)處理能力的進(jìn)步和其他技術(shù)的進(jìn)步，當(dāng)今的超聲波裝置能分析單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而為大多數(shù)固體料位，甚至動(dòng)態(tài)條件下的料位測(cè)量提供可靠的途徑。

    固體料位測(cè)量是需要數(shù)字信號(hào)處理與超聲波技術(shù)相結(jié)合的場(chǎng)合。根據(jù)觀察給定閾值以上的回波來(lái)決定料位，應(yīng)用數(shù)字處理技術(shù)使超聲波接收器能對(duì)容器中的料位狀態(tài)進(jìn)行快速拍照，并以圖片的形式存于寄存器中，稱回波曲線。一旦寄存器中得到一個(gè)回波曲線，儀器就能對(duì)它進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，去偽存真，給出可靠的料位測(cè)量值。

    3.5 鑒別液體種類

    超聲波流量計(jì)利用超聲波在不同液體中傳播速度之間有差別的物性（例如石油聲速為1295m/s，水為1388m/s），在測(cè)量流量的同時(shí)鑒別管道中液體的類別。例如：歐洲在船舶卸油入庫(kù)常用超聲波流量計(jì)測(cè)量入庫(kù)流量，同時(shí)判斷輸送的液體是石油還是油船艙的水。

    4 前景

    英國(guó)Cranfield大學(xué)研究試圖用于航空業(yè)的超聲波質(zhì)量流量計(jì)，它是傳播時(shí)間法超聲體積流量計(jì)的基礎(chǔ)上，再利用超聲測(cè)得第二參量液體阻抗和密度。演算得質(zhì)量流量。原型樣機(jī)水油實(shí)驗(yàn)表明，流量1800kg/h范圍度50:1時(shí)可獲±1%的精度。

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