時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理和設(shè)計(jì)
1引言
超聲波用于氣體和流體的流速測量有許多優(yōu)點(diǎn)。和傳統(tǒng)的機(jī)械式流量儀表、電磁式流量儀表相比它的計(jì)量精度高、對管徑的適應(yīng)性強(qiáng)、非接觸流體、使用方便、易于數(shù)字化管理等等。近年來，由于電子技術(shù)的發(fā)展，電子元?dú)饧某杀敬蠓认陆?，使得超聲波流量儀表的制造成本大大降低，超聲波流量計(jì)也開始普及起來。經(jīng)常有客戶詢問有關(guān)超聲波流量測量方面的問題。作為普及，我們將陸續(xù)撰寫一些專題文章，來介紹一些相關(guān)知識，以便推廣和普及超聲波流量技術(shù)的普及和提高。本文主要介紹目前**為常用的測量方法：時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理和設(shè)計(jì)。
時(shí)差法超聲波流量計(jì)（Transit Time UltrasonicFlowmeter）其工作原理如圖1所示。他是利用一對超聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順溜和逆流傳播時(shí)間差來間接測量流體的流速，在通過流速來計(jì)算流量的一種間接測量方法。
圖1 時(shí)差法超聲波流量測量原理示意圖
圖1中有兩個超聲波換能器：順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并相距一定距離，管線的內(nèi)直徑為D，超聲波行走的路徑長度為L,超聲波順流速度為tu,逆流速度為td,超聲波的傳播方向與流體的流動方向加角為θ。由于流體流動的原因，是超聲波順流傳播L長度的距離所用的時(shí)間比逆流傳播所用的時(shí)間短，其時(shí)間差可用下式表示：
其中：c是超聲波在非流動介質(zhì)中的聲速，V是流體介質(zhì)的流動速度，tu和td之間的差為：
式中X是兩個換能器在管線方向上的間距。
為了簡化，我們假設(shè)，流體的流速和超聲波在介質(zhì)中的速度相比是個小量。即：
上式可簡化為：
也就是流體的流速為：
由此可見，流體的流速與超聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比。
流量Q可以表示為：
- 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)
圖2是我們設(shè)計(jì)的超聲波流量計(jì)的原理框圖。圖中主要有兩個超聲波發(fā)射單元、一個時(shí)間測量單元和一個控制器。他們共同來完成超聲波的發(fā)射、接受和時(shí)間差的測量等工作。其他的外圍單元主要是為了測量儀表的參數(shù)設(shè)定、測量數(shù)據(jù)的輸出、顯示和傳送等功能，可參考相關(guān)資料，這里不作介紹。
