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超声波流量计传播时间法工作原理

超声波流量计传播时间法工作原理
封闭管道用 USF 按测量原理分类有: ① 传播时间法; ② 多普勒效应法; ③ 波束偏移法; ④ 相关法; ⑤ 噪声法。本节仅讨论用得多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。传播时间法
声波在流体中传播,顺流方向声波传播速度会增大,逆流方向则减小,同一传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速,称之传播时间法。又按测量具体参数不同,分为时差法、相位差法和频差法。下面即以时差法阐明工作原理。

流速方程式如图 4 . 37 所示,超声波逆流从换能器 l 传送到换能器 2 的传播速度 c 被流体流速Vm所减慢,为:

反之,超声波顺流从换能器2传送到换能器 1 的传播速度则被流体流速加快。为

 

式( 4 一 14 )减式( 4 一 15 ) ,并变换之,得:

超声波流量计

式中 L ― 超声波在换能器之间传播路径的长度m
X ― 传播路径的轴向分量
T1 t2 ―从换能器 1 到换能器 2 或从换能器 2 到换能器 1 的传播时间
c ― 超声波在静止流体中的传播速度, m / s ;
vm ― 流体通过换能器 l 、 2 之间声道上平均流速, m / s 。
时(间)差法与频(率)差法和相差法原理方程式的基本关系为:

超声波流量计

式中 △f一一频率差;
△ ¢ ― 相位差;
F12  f21― 超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率;
F一超声波的频率。
从中可以看出,相位差法本质上和时差法是相同的,而频率与时间又是互为倒数关系,三种方法没有本质上的差别。目前相位差法已不采用,频差法的仪表也不多。

( 2 )流量方程式 传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速,而计算流量所需是流通横截面的面平均流速,二者的数值是不同的,其差异取决于流速分布状况。因此,必须用的方法对流速分布进行补偿。此外,对于夹装式换能器仪表,还必须对折射角受温度变化进行补偿,才能精确地测得流量。体积流量 Qv为:

式中 K ― 流速分布修正系数,即声道上线平均流速嘛和面平均流速 J 之比,; DN ― 管道内径。

图 4 . 38 所示 K 是单声道通过管道中心( 即管轴对称流场的大流速处)的流速(分布)修正系数。从图可以看出,管道雷诺数 ReD 变化( ReD 随 v 而变化),即相当仪表范围度为 10 时, v 变化 10 倍, K 值变化约为 1 % ;范围度为 100 时, K 值变化约 2 %。流动从层流转变为紊流时, K 值要变化约 30 %。所以要精确测量时,必须对 K 值进行动态自行补偿。


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