超声波在流速测量的原理.docx

1、第4卷第2期水利电力机械电子技术MACH.&ELEC.TECH.WATERCONSERVANCY&FLEC.POW.Vol.4No.21990超声波在流速测量中的原理邢宗奕电子工程系）当前科手技术迅猛发展，激量方法也向着电子化、数字化方向转化。用超声波技术来进行液态流体的流速与流量的测量是一仲较电迷的升技应用。对江河水文探舛、电厂管道效率的提高都极为有用。一美赠声波，流速.测量，时间隹，相位篷，环差值1. 超声波流速探测器的主要特点及类型超声波流速探测器的主要特点如下，1.1可以尽量少的妨碍或不妨碍流体.流动来测定其流速。1.2对能传播超声波的流体、祐度较高的流体及非导电性流体

2、都可以测定。1.3流速探测器的传感装置体积小而坚固，又不易受附着物的影响，而且维修检查比较方便。1.4若导流管为可透超声波村料，则可从导管外部烈定管内流体的流速。1-5测量精度因采用电子技术，诃以明显得到提高。1.6应用范围极广。大的可用于江河流速的丽定，以及各种直径管道内流体流速的测定。小的可测定血管中血液的流速。虽然超声流速探测器电于电路比较复杂，而且成本较高。但近年来电子技术由于集成化微电子技术高速度的发展，集成度越来越高，成本越来越低。因此超声波流速探测器的应用是能得到推广的。超声波流速探测器原理有两大类型：一种类型是利用流体流速的变化使超声波传播特性发生变化（例如时间、相位、.频率的

3、变化）,另一种类型是利用流体中含有各种异杂物体在流动速度下对超声波的反射效应。也就是声学中的多荷勒效应。前一种类型的测定原理是根据始声波在流体中传播时间的变化埴，来测定超声波住传播路径中的'均流速，后一种类型的测定原理是根据超声波反射时多普勒效应产生的频差量米测定流速。本文主要讨论传播时间变化髭方法的工作原理。2. 超声波传播特性变化法利用超声波传播特性变化原理来测定流速的方法有三种*传播时间差法，传播相位差法.循环差值法等。下面分别介绍其测定原理，2.1传播时间差法，在我们日常生活中常遇到企顺风和逆风下，听到声音的传播时间存在很大的差别。同样超声波在静止的流体中传播速度和超声波在运动

4、流体中传播速度也是不同的。应用这一原理可以测得流体的速度。设超声波在静止流体中的传播速度为C,流体本身的流速为此因此超声波顺流体运动方向的传播速度为C+V,而逆流体运动方向的速度为Cf用图】说明其工作原理，图1中，君和为超声波可逆换能器元件，它可以把声能转换为电能，也可把电能转换成声能。把它们置于顺流体流向距离为L的流体中，业要求同深度。这样超声波换能器元件，既可以发射超声波声源，又可以作为1<-L一1VC+v1->1流体流向.|旦|4|CjJJ-一1_.1CV河流和管道罔1蛆声波传播时间是法工作原理接受超声波信号。由发射超声波顺流传播到马的传播时间为，由马发射超声波逆流传播到冗的

5、传播时间为如因此得CvL二者的时间箜&则为,LL2LuTlc二C+y=C2-v8U>-般来说河流或管道流体的流速约为儿个m/s以下的数最级，而超电波住流体中的传播速度的为150m/s（为空汽,中传播速度的5倍）。由此，在多数情况TC»v,所以（1）式可以简化为，在式（2）中，如果乙与C为已知量，只要测得其传播时间差为&,就可测得流体的流速实际应用中，由于时间差&很小，必须用复杂的电子电路来完成对时间的测定。由公式（2）中可以看出距离L可设法固定，超声波在静止流体中的传播速度可以写成为温度、深度和含杂最的函数，如下式所示C=1430+3.75T-OBOIS

6、T*+0.006D式中，C为流体（水中传播速度，米/秒。r为流体中的温度，f%第2期超声波在流速测量中的原理51D为换能器元件在流体中的深度，米。从公式中可以看出深度D对传播速度影响不太大，而流体中温度丁对传播速度的影响较大。所以，必须对流体中传播速度的皮化，采取适当的补偿来提高流速测定的准确性。通常是用测温元件测出流体温度来进行补偿声波速度的误差。可参考下面声速与流体温度的关系曲线如图2所示；02：声在水中停播速度与温度函数曲线。A（海水），B（淡水）。图3所示为流速探测器的工作原理方块图。T】、为两个可接收也可发射的可逆换能图3利用时间差法的测速原理方块图图3利用时间差法的测速原理方块图5

7、2水利电力机械电子技术1990第4卷器。由定时转换器控制两换能器处于接收或发射的工作状态。定时转换后由同步器控制各电路同步工作。发射到接收的时间量在调制器中经词制送入计数器计数。定时转换器给出指令后，存贮器即存入逆流传播时间h,输送到戚法器与勺相威。川/u变换器把&的数字量变换成的数字量，同时将所测的流体温度在变换器中进行补偿修正。最后用数字显示器显示流速读数值。若换能揣元件在管道内直接影响流速及流量的测定，可以将可逆换能器设置在外业紧姑管壁。使超声波导声方向与流体流动方向有一相位角0,如图4图4管道拱能序放丑方法因此，必须取cose的分量作为流体的顺流速或逆流速危。这样1式中传播时间

8、坚&为：,2LvcosO,、zit=/t-/i=gr-管外测定时要求管壁用比较接近流体传声性能的材料做成，或者采用内壁板薄便于透声，外壁板厚承受管内压力，业在壁板间也能充满流体进行均压，这样可以波少测星误莲。2.2传播相位差法若用图1中八换能器发射超声波信号，而乙换能器接收超声波信号，业以连笠发射与接收的方式工作。，则T,的发射信号ElAsin”，的接收信号&=A，sinwQ为超声波由"顺流传播到T,的传播时间，则1-C+v八发射的超声波信号相位为和L接收到超声波信号相位口。-），其相位差为S=g工厂反之，若n换能器发射超声波信号，。换能器接收超声波信号，奶逆流时两信

9、号的相位差为M则超声波在流速用量中的原理53a)LC-v心2oLv上式可知，测量流与逆流各次信号间相位差乙。中，可得到流体的流速V循环差值法旃面两种流速的测破方法是建立在顺流或逆流交替各测一次所得变量&©中的结果。由于测得的&及入巧里极小，布且对不同流体的传播特性及温度要进行不同的补偿修正。因此测量的准确度和电路复杂程度均要求很高。循环差值法是累积多次变景差值进行测量，使克服了上述的不足。如在图1中，由T*换能器发射超声波信号，经时间，传当C接收到超声波信号后，再变换成控制电信号反馈到发射电路，激励V再形成一个闭环信号系统。其路径如下，射流体传播一接收一激励电借号差值

10、更加明显,播到乙换能器。次发射超声波,起始信号发射称为单一循环。频率，为传播时间，的倒数。顺流传播的频率右为每变换激励一次为一个循环周期，也就是一次传播时间L因此变族激励的而逆流传播的频率人为,1C-w显然原流变换频率高于逆流变换频率，两者的频率差为则流体的流速u为<5)由(5)式可知，只要测出顺,逆流J5环频率差与心就可求得流速此法的大优点是可不考虑超声波在流体中传播速度C,因而就无需考虑温度对声逮的影响。使典定过程简单，测量精度更准确。循环频率差法的原理图如图5所示。图中收发转换耕是根据同空信号按一定的转挽时闻31水利电力机械电子技术1990第4卷h使C换能部及匚换能器交替工作。即每

11、经一次循环工作时间，后，八与7的发射与接收进行一次转换。循环控制器是将接收换能器接收到的脉冲超声波信号经放大变换成激励信号.再次触动发射器发射脉冲超声波,产生下一次循环。存贮器是存贮顺流传播时的频率人，以备送往减法器与逆流传播频率人相减。L口转换同步器I一a5楣跖殖率星法原理图收发转换扉循环频本差值法顾理波形如图。所示，图中上下波形比较可知，以相同转换时问f内所测顺流传播率A,3志一,与逆流传播频率从而可得到频率差4/=/,-/1代入6式，即可求得值u。同样也可采用循环时间差法，它是利用在相同循环次数内的狼积时间r®,t逆如FiT.WT2我凯iIlJULIUL"lt敖励1i

12、L&±d.nAiLii(6>S6拥环i*率是.康理波"双变换累积时间差&为，式中八循环次数A2LnAt=r逆-tJK=-rv-时间差法工作原理图，可用图5形式。但必须作如F改变。循环控制除保持循环:L作时间外，同时能设定循环次数ft值大小。计颇器改用计时器。频率一流速转换电Af/v,改用肘间一流速轴换电路&/u。利用时间差值测定流速时，必须考虑超声波在流体中传播速度C值的补偿修正。第2期超声波在流速测屋中的原理553. 注意事项3.1电声换能器是超声波发射和接收的敏感元件。设计时应使尺寸尽垃小，其工作频率应选择高些，通常取几兆赫兹为宜。尺寸小还

13、能减少对管内流体流速的影响。可采用压电式陶瓷片碳酸刨片）做成顿能器。，3.2对测定点管道的要求。为防止流速在管内分布不均匀造成的误差，由此对管路直管K度I要求.测试点上流侧1>1OJ测试点下流蒯，Ed（d为管内直径）对水道要求直道长度，测试点上流侧*I>10B测试点下流侧，1>5B3为流体面宽度若管道设置有控制阀及闸时，上述长度应再增加35倍.3.3保养及检查】主要是对水下部分器件，防止流体中异常物的机械冲击。以及长期浸入流体中时换能器的绝缘性能恶化。换能器的工作面尽量保持清洁.防止隔声物附着其表面影响声传播。参考文献1J（美）JW霍顿。声纳原理”冯秉全译。PRINCIPLEOFFLOWRETEMEASURINGBYMEANSOFULTRASOUNDXinZongyiAbstract：Thispaperintrocucestheprincipleofflowratemeasuringem-phasitically,whichusesthevariationoftransmittingpropertiesforultrasoundinafluid（Suchaschangesoftime;phase,frequencyetc,）