基于傳播時(shí)間法的時(shí)差式超聲流量計設計

超聲流量計

　　超聲流量計是通過(guò)檢測流體流動(dòng)對超聲束或超聲脈沖的作用來(lái)測量流量的儀表。對封閉管道用超聲流量計來(lái)說(shuō)，按其測量原理可分為傳播時(shí)間法、多普勒效應法、波束偏移法、相關(guān)法等。

　　本文采用傳播時(shí)間法。超聲波在流體中傳播時(shí)，與聲波在靜止流體中傳播的速度相比，順流方向聲波傳播速度會(huì )增大，逆流方向則會(huì )減小，同一傳播距離就有不同的傳播時(shí)間。利用傳播時(shí)間之差與被測流體流速之間的關(guān)系求得流速，稱(chēng)為傳播時(shí)間差法。通過(guò)接收穿過(guò)流體的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據時(shí)差的表現形式不同，又可以分為時(shí)差法、相位差法和頻差法。時(shí)差式流量計工作模型如圖1所示。

　　圖1中，兩個(gè)換能器固定在輸液管道的同一側，聲波從換能器T1發(fā)出，經(jīng)過(guò)輸液管道另一側的內壁，反射到接收換能器T2。兩個(gè)換能器也可以固定在輸液管道的上下兩側，聲波由換能器T1發(fā)出，直接傳播到換能器T2。發(fā)射和接收聲波的振子密封在換能器的腔體里，其輻射面與端面成一個(gè)角度θ1，腔體里用透聲材料填充。由于換能器中填充材料、管道材料、管道中流體材料的不同，它們的聲速也不同，因此聲波傳播到介面處會(huì )有折射。這里假設折射角為θ2、θ3。流量計在工作時(shí)，換能器T1、T2輪流做發(fā)射和接收。因為管中的液體是流動(dòng)的，聲波由T1傳到T2(正程)和由T2傳到T1(逆程)的傳播時(shí)間是不同的。正程、逆程兩個(gè)傳播時(shí)間的差反映出液體的流速、流量。

　　以換能器T1為例。聲波由A到B再傳到C，在這一段傳播過(guò)程中，因為沒(méi)有流體參與，傳播時(shí)間是固定不變的。在這里，把聲波在換能器填料、管壁中傳播時(shí)間記為t延。在尋找正程與逆程之間的時(shí)間差時(shí)，不必考慮t延，只考慮在液體中傳播的正程、逆程的傳播時(shí)間差就可以了。

　　這里，設D為輸液導管內徑;d為壁厚;V流為液體流動(dòng)速度;V介為液體的聲速;θ3為折射角;t正為聲波由T1到T2的傳播時(shí)間;t逆為聲波由T2到T1的傳播時(shí)間。

　　用聲學(xué)模型可得如下公式：

　　由上述推導可以看出，只要得到t正和t逆，管道中的液體流速V就可以算出。時(shí)差法與頻差法和相位差法之間原理方程式的基本關(guān)系為：

　　式中：Δf為頻率差;Δφ為相位差;f正、f逆為超聲波在流體中順流和逆流的傳播頻率;f為超聲波的頻率。

　　從中可以看出，相位差法本質(zhì)上和時(shí)差法是相同的，而頻率與時(shí)間又互為倒數關(guān)系，三種方法沒(méi)有本質(zhì)的區別。

　　普通方法測量時(shí)間差