西森自動化:超聲波流量計的工作原理

超聲波流量計的基本原理

超聲波流量計的測量原理就是通過發射換能器產生超聲波，超聲波以一定的方式穿過流動的流體，超聲波在流動的流體中傳播時，就載上了流體流速的信息。當接收換能器接收到超聲波時就可以檢測出流體流速信息的電信號，經信號處理反映出流體的流速。

由此可知，超聲波流量計測量原理是通過測量流體的流速來換算成流體的質量流量Qm，其關系式為：

Qm=AρV

式中，流通截面A取決于管道工況和管道狀況，密度ρ取決于流體介質及工況，一般都能精確地測量到。所以測量流體的流速V，就是超聲波流量計進行流量測量的目的。

超聲波流量計常用的換能器是壓電換能器，是利用壓電材料的壓電效應，采用適當的發射電路，把電能加到發射換能器的壓電晶片上，使其產生超聲波振動，并以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經壓電晶片變成電能，以便檢測。發射換能器利用壓電晶體的逆壓電效應，而接收換能器則利用壓電效應。壓電晶片為圓形薄片，其直徑超過厚度的10倍以保證沿厚度方向振動。壓電晶體元件裝人換能器（生產廠家一般叫探頭）中的聲楔中，聲楔起固定壓電晶體片的作用，以40°左右角度使超聲波射入到流體中。聲楔材料一般為有機玻璃、橡膠、塑料或膠木，以強度高、耐老化、而且要求超聲波透過聲楔后能量損失小，希望透視系數盡量接近1為好。

夾裝式換能器超聲波流量計除了做流速分布修正外，必要時還要做聲道角變化影響的修正。聲道角Q不但受流體聲速影響，還與聲楔和管壁材料中的聲速有關。然而，因為一般固體材料的聲速變化比液體聲速溫度變化小一個數量級，在溫度變化不大的條件下對測量精確度的影響可以忽略不計。但是在溫度變化范圍大的情況下，就必須對聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進行修正。另外多聲道儀表常采用高斯積分法或其他積分法計算流里。

超聲波流量計的電子電路包括發射、接收電路和信號處理電路。超聲波流量計對信號的發生、傳播及檢測有各種不同的設置方法，構成了依賴不同原理的超聲波流量計。如傳播速度差法 (包括時差法、相位差法、頻差法）、多普勒法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法、空間濾波法、流速—液面法及相關法等不同類型的超聲波流量計。

基于不同原理，適用于不同場合的各種形式的超聲波流量計已相繼出現，從測量精度和使用最多的超聲波流量計要數傳播速度法中的頻差法和多普勒效應法。這里就以使用最多的頻差法和多普勒效應法加以介紹。

傳播速度差法

超聲波在流動的流體中，順流傳播的時間與逆流傳播的時間就像順水行船與逆水行船一樣，存在快慢時間之差。這個時間之差與被測流體的流速有關，求流速的方法，按測量物理量的不同，傳播速度差法分為時差法、相位差法和頻差法三種。

(1) 時差法

時差法是利用超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，測量它的順流傳播時間和逆流傳播時間的差值從而計算流體流動的速度和流量或將流體流動時和靜止時超聲波在流體中傳播的情況進行比較，由于流速不同同樣會使超聲波的傳播速度發生變化，產生時間差，同理計算出流體流動的速度和流量，此方法多用于大口徑超聲波的測量。

(2) 相位差法

相位差法是利用時差法中的超聲波的相位差與時間差的關系，通過測量順流和逆流兩個方向接收波的相位差實現流體的流速測量，其關系式為：

△φ= 2πf△t

式中△φ——測量順、逆兩個方向接收波的相位差；

f——超聲波的發射頻率；

△t——順流和逆流情況下超聲波傳播時間差。

(3) 頻差法

頻差法是在時差法和相位差法的基礎上發展起來的。它們與流速成正比的常數都與聲速有關，而聲速隨著溫度而變化，因而被測流體溫度變化就會帶來測量誤差。而頻差法則是由測量順流一組和逆流另一組發射一接收超聲波的閉路循環系統，通過接收到的超聲脈沖的循環頻率差來反映流量的大小，其比例常數和聲速無關。

順流循環脈沖頻率           f順=（C+v）/L

逆流循環脈沖頻率           f逆=（C-v）/L

而順流、逆流循環脈沖頻率差      △f=2v/L

則流速                 v=△f*L/2

因此可通過測量一定時間內兩組閉路循環系統中的循環頻率之差來測得流速。

頻差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，精度較高，所以已在工業流量測量中廣泛應用。

(4) 多普勒法

多普勒超聲波流量計的測量原理是利用聲波的多普勒效應進行測量的。超聲波發生器作為一固定聲源，隨著流體以同速度運動的固體顆粒與聲源相對運動，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動而產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，進而可以得到流體流量。

當多普勒超聲波流量計的發射換能器以Q角度向流體發射頻率為f1的連續聲波時，流體中的懸浮顆粒將聲波反射到接收換能器，因為懸浮顆粒的運動，所以反射的超聲波將產生多普勒頻移△f，如果頻移后接收換能器收到的超聲波頻率為f2，超聲波在流體中速度為c，懸浮顆粒與流體速度相同都為v，則多普勒頻移為：

△f=2vf1cosQ/c

通過測量△f就可得到流速：

v=c△f/2f1cosQ

多普勒法超聲波流量計可測量雙向介質的流量，故可用于排污水、含懸浮顆粒、氣泡等流體的測量。