超声波流量计的基本原理

超声波流量计的基本原理

1．基本原理

超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。相对于固定座标系(如管壁)，顺流的超声波的传播速度将大于逆流的传播速度。为实现流量（流速）测量，首先需要有一个发射超声波的换能器（俗称超声波探头），通常采用石英等材料制成的压电元件作为换能器。发射超声波时是利用负压电效应，即利用高频电脉冲的作用，使压电晶体高频振动，从而发出脉冲变化的高频压力波（即超声波）。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由装在管道对面的接收换能器接受。接受换能器则利用正压电效应，将高频压力波又转换高频的电脉冲信号。

可以轮流交替地利用同一个换能器及发射高频、短时的脉冲压力波，又用来接收对面换能器发来的脉冲压力波。可以用一组换能器兼做超声波的收、发用。由于人耳听到声音的上限频率是20千赫，而此种流量计所收、发的压力波的频率是0．5—10兆赫（典型频率是1MHz）,属于超声波范畴，超声波流量计因此得名。

2．管外夹式时差式液体超声波流量计的工作原理

该类型流量计利用测量超声波在管道中传播时间原理而实现的。介质（液体）在管道中流速，与超声波沿介质顺流和逆流传播的时间差存在着线性关系。只要分别测量出超声波顺流、逆流的传播时间，就可以依据线性关系得到沿管道路径上各点流速的瞬时平均流速。这样，介质流量则可以通过流速、管道截面积以及雷诺数等得到。

当超声波束在液体中传播时，流体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，由此可求出液体的流速。

如下图所示：在待测流量管道外表面上，按一定相对位置安装一对超声探头。安装方式分为“Z”法和“V”法。一个探头受电脉冲激励产生的超声脉冲，经管壁—流体—管壁为第二探头所接收。从发至收超声脉冲传播时间，依其顺逆流向分别为：

瞬时流量：单位时间流过流体管道横截面的流体流量，常用单位:m3/h。

累计流量：在一段时间内流过管道横截面的流体流量（积分流量）常用单位:m3。

其中： L——声程

M——声束在液体中的传播次数

D——管道内径

θ—超声波束入射角 

C0——静止时流体声速 

V——管内流体沿管轴向的平均流速 

TUP——声束在正方向上的传播时间

TDOWN——声束在逆方向上的传播时间

△T——声束在正逆两个方向上的传播时间差

3．超声波流量计的基本性能

（1）实现了非接触在线测量(外夹式传感器)。

（2）无阻力无压力损失，无深度插入部件，无可动部件，不影响介质流动参数和状态。

（3）安装位置灵活，直管段要求上游10D，下游5D。

（4）测量范围宽广，既可测量小管径（100mm以下），又可测量大管径（最大到6000mm），性价比高。仪表对介质流速的高灵敏度，使得测量极慢或快速流动介质时，均可满足精度要求。

（5）可以不断流拆装、维修、在线维修极为方便。

（6）适用于各种工作环境，可在高低温、潮湿、粉尘、振动等环境下长期稳定地工作，一次安装，长期使用，维修量极少。

以上这些特性是由超声波流量计的原理所决定的。