超聲波流量計(jì)分類及特點(diǎn)

超聲波流量計(jì)一樣通常可分為兩大類：流傳時(shí)間式超聲波流量計(jì)和多普勒超聲波流量計(jì)。在含有懸浮粒子的活動(dòng)流體中，可以使用聲學(xué)多普勒效應(yīng)丈量多普勒頻移來確定媒質(zhì)流速v，這種方法稱為超聲波多普勒法。

由于現(xiàn)在市場(chǎng)上的超聲息體流量計(jì)產(chǎn)物都是流傳時(shí)間式超聲波流量計(jì)，以是下文將重點(diǎn)論述流傳時(shí)間式超聲波流量計(jì)的原理。當(dāng)超聲波在活動(dòng)的媒質(zhì)中流傳時(shí)，相對(duì)付牢固坐標(biāo)體系，超聲波速率與在靜止媒質(zhì)中的流傳速率有所差別，其變革值與媒質(zhì)流速有關(guān)。因此憑據(jù)超聲波速率的變革量可以求出媒質(zhì)的流速，流傳時(shí)間式超聲波流量計(jì)便是憑據(jù)這一原理計(jì)劃而成的。超聲波流量計(jì)由兩大部門構(gòu)成：丈量變更器部門和電子電路部門。

直圓管段內(nèi)流體的特性由流體的雷諾數(shù)決定，這是個(gè)無綱數(shù)（dimensionless），由流體的流速，管道直徑，流體的密度和動(dòng)態(tài)粘度通過盤算得出。通常環(huán)境下，被測(cè)流體可以分為湍流（turbulent）和層流（laminar）兩種管流狀態(tài)，當(dāng)流速較高或管壁粘性較小時(shí)，流體的質(zhì)點(diǎn)受慣性力作用較大，質(zhì)點(diǎn)間相互稠濁呈紊亂無章不規(guī)矩的活動(dòng)稱湍流；流速較低或管壁粘性較大時(shí)，流體的粘性所造成的摩擦力作用較大，流體活動(dòng)的狀態(tài)是膩滑的層狀活動(dòng)，各流層的質(zhì)點(diǎn)互不稠濁且條理明白，這種活動(dòng)稱為層流。湍流狀態(tài)的流速以管道軸線為*呈對(duì)數(shù)曲線對(duì)稱漫衍，而層流狀態(tài)下游速呈拋物線曲線對(duì)稱漫衍。一樣通常環(huán)境下，當(dāng)雷諾數(shù)Re≥2300時(shí)，可以以為已經(jīng)到達(dá)湍流而雷諾數(shù)較小時(shí)（小于2300）一樣通常為層流。但這種流場(chǎng)特性會(huì)由于管線中存在彎管而擾亂，通常環(huán)境下這種擾亂可以形貌成在流體的管道軸向流速上疊加了一個(gè)和流向成垂直正交干系的稱為渦流的流速分量，渦流的強(qiáng)度取決于流體由于雷同彎管的作用而孕育發(fā)生的擾亂的強(qiáng)度。這種渦流無疑是對(duì)超聲流量計(jì)的精度孕育發(fā)生影響的，從機(jī)器安置的角度思量，可以通過在流量計(jì)前加裝充足長(zhǎng)的直管道辦理。而對(duì)付流量計(jì)計(jì)劃自己，可以通過多通道丈量的方法，部署交織的聲道大概接納反射型的聲道來消除渦流的影響。

任何丈量都存在偏差，流傳時(shí)間式超聲波流量計(jì)的丈量方法，其丈量偏差大抵可以分為以下幾種：

1.被測(cè)介質(zhì)溫度大概濃度的變革引起聲速 值的相應(yīng)變革，聲速的變革孕育發(fā)生的流速丈量偏差稱為純溫度或純濃度偏差。

2.雙通道參數(shù)的不合錯(cuò)誤稱，包羅雙通道換能器參數(shù)如機(jī)器尺寸、電氣特性等的不合錯(cuò)誤稱，被測(cè)介質(zhì)活動(dòng)狀態(tài)的差別等以及電子電路的不合錯(cuò)誤稱。這些因素引起的丈量偏差稱為附加溫度偏差。

3.流速斷面上現(xiàn)實(shí)流速漫衍與抱負(fù)流速漫衍之間的差別等所引起的丈量偏差稱為流速斷面偏差。

純溫度和純濃度偏差是超聲波流量計(jì)的重要固有偏差。如前所述，對(duì)付時(shí)差法，溫度和濃度變革引起的流速丈量相對(duì)偏差為聲速相對(duì)變革的兩倍。

附加溫度偏差一樣通常分為兩類，一類是由換能器參數(shù)不合錯(cuò)誤稱、電路零點(diǎn)漂移等引起的隨機(jī)偏差，另一類是由電路布線和器件不合錯(cuò)誤稱、流速較大時(shí)引起聲束偏移在順流和逆流偏向的差別等等因素引起的體系偏差，前一種可以通過接納單通道和統(tǒng)計(jì)均勻的方法減小，后一種則必要與背面提到的第三類流速斷面偏差一起通過修正系數(shù)k實(shí)測(cè)標(biāo)定的方法同一消除。

流量計(jì)敏捷度的界說是當(dāng)流體流速變革單元量時(shí)，種種方法中所直接丈量的特性量的變革值（特性量便是指時(shí)差法中的 ），敏捷度分別為 。

流量計(jì)的丈量范疇便是流速丈量的上限和下限的起止范疇。原則上講，流速的丈量范疇是從零開始而且沒有上限，但是，在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中流量丈量范疇會(huì)受到如許那樣的條件的限定，好比聲束的漂移以及每種方法的特性量所能到達(dá)的zui小丈量值等等。

在時(shí)差法中，流速u是特性量 的單值函數(shù)，因此丈量范疇理論上沒有上限，但是丈量范疇的下限卻受到了限定，這重要是對(duì)時(shí)差的丈量決定的。要是一個(gè)別系可以到達(dá)0.01微秒的精度，要是要包管1％的丈量精度，測(cè)時(shí)下限便是1微秒。當(dāng)超聲波束在管道中反射后由吸收換能器吸收，根據(jù)式（1－2）取 ，D＝50毫米， =340米秒 ,則流速丈量的下限是u=0.578米秒 。要是在此底子上，必要進(jìn)一步進(jìn)步體系的丈量精度，那么可以接納時(shí)間擴(kuò)展法，也便是使超聲波順流和逆流分別發(fā)射多次如N次，再顛末統(tǒng)計(jì)均勻，丈量相對(duì)精度相應(yīng)進(jìn)步 倍。同時(shí)這種方法還可以使流速丈量下限擴(kuò)展到 。從式（1－2）中可以看出敏捷度與直徑D成正比，與媒質(zhì)中聲速 平方成反比。在管道直徑增大和丈量聲速較小的流體時(shí)，敏捷度會(huì)進(jìn)步。

噪聲

通常環(huán)境下，管道上存在振動(dòng)，這些振動(dòng)由泵、減壓閥等引起，這些振動(dòng)發(fā)射超聲噪聲，噪聲頻譜可以延伸至超聲換能器的事情頻率范疇內(nèi)。噪聲的引入可以是流體感到噪聲，大概設(shè)置裝備部署感到噪聲，諸如由減壓閥所發(fā)出的噪聲。后一種范例的滋擾噪聲更為嚴(yán)峻，分外是當(dāng)如許的減壓閥事情于高壓差的時(shí)間，比方高于10或20bar，在這些條件下，所耗散的能量可以相稱大，縱然只有非常少的部門被轉(zhuǎn)換成為聲能，但照舊大概發(fā)出非常大的噪聲。由于信號(hào)和噪聲頻率范疇同等，在信號(hào)被噪聲吞沒的環(huán)境下，流傳時(shí)間就不克不及被有用檢出，流量計(jì)大概不克不及事情。通常的辦理措施一是在流量計(jì)的安置位置上思量，通過加長(zhǎng)管線的方法使流量計(jì)只管即便闊別噪聲源，二是應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處置處罰技能，好比用一些濾波和相干算法。進(jìn)步信噪比是研究怎樣進(jìn)步流量計(jì)性能的重要內(nèi)容。

產(chǎn)業(yè)尺度和產(chǎn)業(yè)應(yīng)用

只管現(xiàn)在公布有AGA N09號(hào)陳訴，ISO公布有TR12765技能文件，我國(guó)也訂定了相應(yīng)的GB/T18604尺度，但從產(chǎn)業(yè)化、尺度化應(yīng)用角度來看，超聲流量計(jì)要得到產(chǎn)業(yè)上的遍及應(yīng)用，還應(yīng)當(dāng)辦理以下四個(gè)方面題目。

- 針對(duì)產(chǎn)業(yè)流場(chǎng)上游側(cè)差別范例阻力件孕育發(fā)生的影響，公道確定不憐憫況下游量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度。

- 操縱壓力、溫度及氣體組分的變革對(duì)流量丈量影響及校正措施。

- 差別雷諾數(shù)速率漫衍剖面修正系數(shù)準(zhǔn)確確定和流量計(jì)主體多少尺寸偏差所帶來對(duì)精度的影響。

- 探頭電氣特性的穩(wěn)固性及探頭的交換性等。

別的，關(guān)于超聲流量計(jì)標(biāo)定還沒有到達(dá)共鳴。從超聲流量計(jì)的布局和丈量原理來看，這種速率型流量?jī)x表可以實(shí)現(xiàn)“干標(biāo)”。這是由于使用現(xiàn)在的丈量技能及本領(lǐng)，流量計(jì)腔體多少尺寸D、聲道長(zhǎng)度L和傳感器間的軸向長(zhǎng)度X是可以得到正確測(cè)定的。要是電子電路和傳感器的性能得到正確丈量，傳感器組件的電氣特性穩(wěn)固并具有可交換性，那么“干標(biāo)”就可得到現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用。然而，現(xiàn)在仍沒有充足技能步伐和理論來證明這一點(diǎn)。當(dāng)前，在北美、南美、歐洲，供需兩邊都要求用于商業(yè)計(jì)量的超聲流量計(jì)有充足的丈量精度，基于這一點(diǎn)，可信任的措施照舊要標(biāo)定。