超聲波在流速測(cè)量的原理.docx

1、第4卷第2期水利電力機(jī)械電子技術(shù)MACH.&ELEC.TECH.WATERCONSERVANCY&FLEC.POW.Vol.4No.21990超聲波在流速測(cè)量中的原理邢宗奕電子工程系）當(dāng)前科手技術(shù)迅猛發(fā)展，激量方法也向著電子化、數(shù)字化方向轉(zhuǎn)化。用超聲波技術(shù)來進(jìn)行液態(tài)流體的流速與流量的測(cè)量是一仲較電迷的升技應(yīng)用。對(duì)江河水文探舛、電廠管道效率的提高都極為有用。一美贈(zèng)聲波，流速.測(cè)量，時(shí)間隹，相位篷，環(huán)差值1. 超聲波流速探測(cè)器的主要特點(diǎn)及類型超聲波流速探測(cè)器的主要特點(diǎn)如下，1.1可以盡量少的妨礙或不妨礙流體.流動(dòng)來測(cè)定其流速。1.2對(duì)能傳播超聲波的流體、祐度較高的流體及非導(dǎo)電性流體

2、都可以測(cè)定。1.3流速探測(cè)器的傳感裝置體積小而堅(jiān)固，又不易受附著物的影響，而且維修檢查比較方便。1.4若導(dǎo)流管為可透超聲波村料，則可從導(dǎo)管外部烈定管內(nèi)流體的流速。1-5測(cè)量精度因采用電子技術(shù)，訶以明顯得到提高。1.6應(yīng)用范圍極廣。大的可用于江河流速的麗定，以及各種直徑管道內(nèi)流體流速的測(cè)定。小的可測(cè)定血管中血液的流速。雖然超聲流速探測(cè)器電于電路比較復(fù)雜，而且成本較高。但近年來電子技術(shù)由于集成化微電子技術(shù)高速度的發(fā)展，集成度越來越高，成本越來越低。因此超聲波流速探測(cè)器的應(yīng)用是能得到推廣的。超聲波流速探測(cè)器原理有兩大類型：一種類型是利用流體流速的變化使超聲波傳播特性發(fā)生變化（例如時(shí)間、相位、.頻率的

3、變化）,另一種類型是利用流體中含有各種異雜物體在流動(dòng)速度下對(duì)超聲波的反射效應(yīng)。也就是聲學(xué)中的多荷勒效應(yīng)。前一種類型的測(cè)定原理是根據(jù)始聲波在流體中傳播時(shí)間的變化埴，來測(cè)定超聲波住傳播路徑中的'均流速，后一種類型的測(cè)定原理是根據(jù)超聲波反射時(shí)多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的頻差量米測(cè)定流速。本文主要討論傳播時(shí)間變化髭方法的工作原理。2. 超聲波傳播特性變化法利用超聲波傳播特性變化原理來測(cè)定流速的方法有三種*傳播時(shí)間差法，傳播相位差法.循環(huán)差值法等。下面分別介紹其測(cè)定原理，2.1傳播時(shí)間差法，在我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ龅狡箜橈L(fēng)和逆風(fēng)下，聽到聲音的傳播時(shí)間存在很大的差別。同樣超聲波在靜止的流體中傳播速度和超聲波在運(yùn)動(dòng)

4、流體中傳播速度也是不同的。應(yīng)用這一原理可以測(cè)得流體的速度。設(shè)超聲波在靜止流體中的傳播速度為C,流體本身的流速為此因此超聲波順流體運(yùn)動(dòng)方向的傳播速度為C+V,而逆流體運(yùn)動(dòng)方向的速度為Cf用圖】說明其工作原理，圖1中，君和為超聲波可逆換能器元件，它可以把聲能轉(zhuǎn)換為電能，也可把電能轉(zhuǎn)換成聲能。把它們置于順流體流向距離為L(zhǎng)的流體中，業(yè)要求同深度。這樣超聲波換能器元件，既可以發(fā)射超聲波聲源，又可以作為1<-L一1VC+v1->1流體流向.|旦|4|CjJJ-一1_.1CV河流和管道罔1蛆聲波傳播時(shí)間是法工作原理接受超聲波信號(hào)。由發(fā)射超聲波順流傳播到馬的傳播時(shí)間為，由馬發(fā)射超聲波逆流傳播到冗的

5、傳播時(shí)間為如因此得CvL二者的時(shí)間箜&則為,LL2LuTlc二C+y=C2-v8U>-般來說河流或管道流體的流速約為兒個(gè)m/s以下的數(shù)最級(jí)，而超電波住流體中的傳播速度的為150m/s（為空汽,中傳播速度的5倍）。由此，在多數(shù)情況TC»v,所以（1）式可以簡(jiǎn)化為，在式（2）中，如果乙與C為已知量，只要測(cè)得其傳播時(shí)間差為&,就可測(cè)得流體的流速實(shí)際應(yīng)用中，由于時(shí)間差&很小，必須用復(fù)雜的電子電路來完成對(duì)時(shí)間的測(cè)定。由公式（2）中可以看出距離L可設(shè)法固定，超聲波在靜止流體中的傳播速度可以寫成為溫度、深度和含雜最的函數(shù)，如下式所示C=1430+3.75T-OBOIS

6、T*+0.006D式中，C為流體（水中傳播速度，米/秒。r為流體中的溫度，f%第2期超聲波在流速測(cè)量中的原理51D為換能器元件在流體中的深度，米。從公式中可以看出深度D對(duì)傳播速度影響不太大，而流體中溫度丁對(duì)傳播速度的影響較大。所以，必須對(duì)流體中傳播速度的皮化，采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償來提高流速測(cè)定的準(zhǔn)確性。通常是用測(cè)溫元件測(cè)出流體溫度來進(jìn)行補(bǔ)償聲波速度的誤差。可參考下面聲速與流體溫度的關(guān)系曲線如圖2所示；02：聲在水中停播速度與溫度函數(shù)曲線。A（海水），B（淡水）。圖3所示為流速探測(cè)器的工作原理方塊圖。T】、為兩個(gè)可接收也可發(fā)射的可逆換能圖3利用時(shí)間差法的測(cè)速原理方塊圖圖3利用時(shí)間差法的測(cè)速原理方塊圖5

7、2水利電力機(jī)械電子技術(shù)1990第4卷器。由定時(shí)轉(zhuǎn)換器控制兩換能器處于接收或發(fā)射的工作狀態(tài)。定時(shí)轉(zhuǎn)換后由同步器控制各電路同步工作。發(fā)射到接收的時(shí)間量在調(diào)制器中經(jīng)詞制送入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。定時(shí)轉(zhuǎn)換器給出指令后，存貯器即存入逆流傳播時(shí)間h,輸送到戚法器與勺相威。川/u變換器把&的數(shù)字量變換成的數(shù)字量，同時(shí)將所測(cè)的流體溫度在變換器中進(jìn)行補(bǔ)償修正。最后用數(shù)字顯示器顯示流速讀數(shù)值。若換能揣元件在管道內(nèi)直接影響流速及流量的測(cè)定，可以將可逆換能器設(shè)置在外業(yè)緊姑管壁。使超聲波導(dǎo)聲方向與流體流動(dòng)方向有一相位角0,如圖4圖4管道拱能序放丑方法因此，必須取cose的分量作為流體的順流速或逆流速危。這樣1式中傳播時(shí)間

8、堅(jiān)&為：,2LvcosO,、zit=/t-/i=gr-管外測(cè)定時(shí)要求管壁用比較接近流體傳聲性能的材料做成，或者采用內(nèi)壁板薄便于透聲，外壁板厚承受管內(nèi)壓力，業(yè)在壁板間也能充滿流體進(jìn)行均壓，這樣可以波少測(cè)星誤蓮。2.2傳播相位差法若用圖1中八換能器發(fā)射超聲波信號(hào)，而乙換能器接收超聲波信號(hào)，業(yè)以連笠發(fā)射與接收的方式工作。，則T,的發(fā)射信號(hào)ElAsin”，的接收信號(hào)&=A，sinwQ為超聲波由"順流傳播到T,的傳播時(shí)間，則1-C+v八發(fā)射的超聲波信號(hào)相位為和L接收到超聲波信號(hào)相位口。-），其相位差為S=g工廠反之，若n換能器發(fā)射超聲波信號(hào)，。換能器接收超聲波信號(hào)，奶逆流時(shí)兩信

9、號(hào)的相位差為M則超聲波在流速用量中的原理53a)LC-v心2oLv上式可知，測(cè)量流與逆流各次信號(hào)間相位差乙。中，可得到流體的流速V循環(huán)差值法旃面兩種流速的測(cè)破方法是建立在順流或逆流交替各測(cè)一次所得變量&©中的結(jié)果。由于測(cè)得的&及入巧里極小，布且對(duì)不同流體的傳播特性及溫度要進(jìn)行不同的補(bǔ)償修正。因此測(cè)量的準(zhǔn)確度和電路復(fù)雜程度均要求很高。循環(huán)差值法是累積多次變景差值進(jìn)行測(cè)量，使克服了上述的不足。如在圖1中，由T*換能器發(fā)射超聲波信號(hào)，經(jīng)時(shí)間，傳當(dāng)C接收到超聲波信號(hào)后，再變換成控制電信號(hào)反饋到發(fā)射電路，激勵(lì)V再形成一個(gè)閉環(huán)信號(hào)系統(tǒng)。其路徑如下，射流體傳播一接收一激勵(lì)電借號(hào)差值

10、更加明顯,播到乙換能器。次發(fā)射超聲波,起始信號(hào)發(fā)射稱為單一循環(huán)。頻率，為傳播時(shí)間，的倒數(shù)。順流傳播的頻率右為每變換激勵(lì)一次為一個(gè)循環(huán)周期，也就是一次傳播時(shí)間L因此變族激勵(lì)的而逆流傳播的頻率人為,1C-w顯然原流變換頻率高于逆流變換頻率，兩者的頻率差為則流體的流速u為<5)由(5)式可知，只要測(cè)出順,逆流J5環(huán)頻率差與心就可求得流速此法的大優(yōu)點(diǎn)是可不考慮超聲波在流體中傳播速度C,因而就無需考慮溫度對(duì)聲逮的影響。使典定過程簡(jiǎn)單，測(cè)量精度更準(zhǔn)確。循環(huán)頻率差法的原理圖如圖5所示。圖中收發(fā)轉(zhuǎn)換耕是根據(jù)同空信號(hào)按一定的轉(zhuǎn)挽時(shí)聞31水利電力機(jī)械電子技術(shù)1990第4卷h使C換能部及匚換能器交替工作。即每

11、經(jīng)一次循環(huán)工作時(shí)間，后，八與7的發(fā)射與接收進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。循環(huán)控制器是將接收換能器接收到的脈沖超聲波信號(hào)經(jīng)放大變換成激勵(lì)信號(hào).再次觸動(dòng)發(fā)射器發(fā)射脈沖超聲波,產(chǎn)生下一次循環(huán)。存貯器是存貯順流傳播時(shí)的頻率人，以備送往減法器與逆流傳播頻率人相減。L口轉(zhuǎn)換同步器I一a5楣跖殖率星法原理圖收發(fā)轉(zhuǎn)換扉循環(huán)頻本差值法顧理波形如圖。所示，圖中上下波形比較可知，以相同轉(zhuǎn)換時(shí)問f內(nèi)所測(cè)順流傳播率A,3志一,與逆流傳播頻率從而可得到頻率差4/=/,-/1代入6式，即可求得值u。同樣也可采用循環(huán)時(shí)間差法，它是利用在相同循環(huán)次數(shù)內(nèi)的狼積時(shí)間r®,t逆如FiT.WT2我凱iIlJULIUL"lt敖勵(lì)1i

12、L&±d.nAiLii(6>S6擁環(huán)i*率是.康理波"雙變換累積時(shí)間差&為，式中八循環(huán)次數(shù)A2LnAt=r逆-tJK=-rv-時(shí)間差法工作原理圖，可用圖5形式。但必須作如F改變。循環(huán)控制除保持循環(huán):L作時(shí)間外，同時(shí)能設(shè)定循環(huán)次數(shù)ft值大小。計(jì)頗器改用計(jì)時(shí)器。頻率一流速轉(zhuǎn)換電Af/v,改用肘間一流速軸換電路&/u。利用時(shí)間差值測(cè)定流速時(shí)，必須考慮超聲波在流體中傳播速度C值的補(bǔ)償修正。第2期超聲波在流速測(cè)屋中的原理553. 注意事項(xiàng)3.1電聲換能器是超聲波發(fā)射和接收的敏感元件。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使尺寸盡垃小，其工作頻率應(yīng)選擇高些，通常取幾兆赫茲為宜。尺寸小還

13、能減少對(duì)管內(nèi)流體流速的影響?？刹捎脡弘娛教沾善妓崤倨┳龀深D能器。，3.2對(duì)測(cè)定點(diǎn)管道的要求。為防止流速在管內(nèi)分布不均勻造成的誤差，由此對(duì)管路直管K度I要求.測(cè)試點(diǎn)上流側(cè)1>1OJ測(cè)試點(diǎn)下流蒯，Ed（d為管內(nèi)直徑）對(duì)水道要求直道長(zhǎng)度，測(cè)試點(diǎn)上流側(cè)*I>10B測(cè)試點(diǎn)下流側(cè)，1>5B3為流體面寬度若管道設(shè)置有控制閥及閘時(shí)，上述長(zhǎng)度應(yīng)再增加35倍.3.3保養(yǎng)及檢查】主要是對(duì)水下部分器件，防止流體中異常物的機(jī)械沖擊。以及長(zhǎng)期浸入流體中時(shí)換能器的絕緣性能惡化。換能器的工作面盡量保持清潔.防止隔聲物附著其表面影響聲傳播。參考文獻(xiàn)1J（美）JW霍頓。聲納原理”馮秉全譯。PRINCIPLEOFFLOWRETEMEASURINGBYMEANSOFULTRASOUNDXinZongyiAbstract：Thispaperintrocucestheprincipleofflowratemeasuringem-phasitically,whichusesthevariationoftransmittingpropertiesforultrasoundinafluid（Suchaschangesoftime;phase,frequencyetc,）