【《超声波多普勒流量计的工作原理分析综述》6200字】

超声波多普勒流量计的工作原理分析综述目录TOC\o"1-3"\h\u22421超声波多普勒流量计的工作原理分析综述 1302291.1声波的多普勒效应 129391.2超声波多普勒流量计的工作原理 235911.2.1超声波多普勒流量计的测量原理 2158381.2.2管道流体流速分布规律 4186471.2.3两声道多普勒法流量测量的分析 8219211.3工作频率的确定 9283021.4干扰因素分析 10196091.4.1温度的影响 10173941.4.2信息窗的影响 11178341.4.3悬浮颗粒的影响 12298631.5小结 121.1声波的多普勒效应声波的多普勒效应是十九世纪四十年代初由Austriad物理学家ChristianJohannDoppler提出的，这一现象的提出源于多普勒偶然发现，当火车从远处驶近自己时，听到的汽笛声变得大而尖，驶离时汽笛声变得小而厚。经他研究发现，这是一种频移现象，即波源与观察者之间存在相对运动时，观察者作为波的接收方，接收到的波频随相对运动发生变化[14-16]。多普勒现象的产生是由于声波是振动，每一次声波的全振动都能向外发送一个波长的声波，与观察者存在靠近的相对运动时，单位时间内接观察接收到的完整波长的波数量变多，也就是收到的声波频率增高；与观察者存在远离的相对运动时，单位时间内接观察接收到的完整波长的波数量变少，也就是收到的声波频率降低[17]。超声波多普勒流量计应用了超声波在流动液体介质中传播存在多普勒现象的原理，发射换能器发出一个固定频率的声波，流体内的气泡或悬浮颗粒相当于第一观察者，并与流体介质的同速运动，此时与声源之间存在相对运动，接收到的频率产生第一次变化。超声波在遇到气泡或悬浮颗粒后发生反射[18]，运动气泡或悬浮颗粒相当于声源，接收换能器相当于第二观察者，声源与接收换能器之间相对运动，接收换能器接收到的超声波频率再次发生变化。这时发射换能器发射的声波信号的频率与接收换能器接收到的声波信号频率存在一定的差值，称作频移。一般情况下，我们认为流体介质中的气泡或悬浮颗粒的运动速度与流体介质同速，则这个声波的偏移量与被测流体介质的流速有关，存在正向关系，所以可以通过这个超声波信号的偏移量求得流体介质的流速信息，再通过管道的相关系数，确定被测流体的流量[19]。同时，这里存在一个使用多普勒法测流量的必要条件，那就是被测流体介质中必须要有足够数量且含量稳定的气泡或悬浮颗粒，才能引起这种频移现象的产生，非常洁净的液体不适用于多普勒法进行流量测量[20]。1.2超声波多普勒流量计的工作原理1.2.1超声波多普勒流量计的测量原理单声道超声波多普勒流量计，拥有一组超声波信号发射、接收换能器。超声波流量计换能器安装方式有两种，分别为V型安装和对称安装。V型安装适用于被测流体介质中气泡和悬浮颗粒浓度较高的流体流量的测量，而对于一般小管径管道以及流体介质中含气泡和悬浮颗粒浓度较低的流体介质流量的测量，通常用对称的安装方式[21]。这里我们考虑一般工业生产现场用水和水处理的流量测量，选用换能器对称的方式进行研究。超声波多普勒流量计发射一束超声波信号，经流体介质中一些悬浮颗粒或气泡反射后，声波束被接收换能器接收。发射换能器发射声波束指向区域和接收换能器接收声波束指向区域的重叠区域，形成信息窗区域[22-23]。多普勒流量计测量原理图如图1.1中所示。图1.1多普勒流量计测量原理图Fig.1.1MeasurementprinciplediagramofDopplerflowmeter图1.1中,T1、T2分别为超声波发射和接收换能器，管道内流体的流速为v，流体中的悬浮颗粒或气泡的运动速度与流体介质一致，声波在流体介质中的传播速度为c，发射换能器发射的超声波信号频率为f0，声波发生发射前接收到的频率为f信号发生反射前，悬浮粒子作为接收的一方，与发射声源间存在相对运动，接收到的信号频率根据多普勒原理变为f1 f1=c−vcos信号发生反射后，悬浮粒子可以看作信号发生源，发射频率为f1，与T2间存在相对运动，此时T2 f2=cc+vcosT2接收到的信号与T1发射的信号频率之间产生差值 ∆f=f2被测流体流速v≪ v=c2f管道流体截面积为A，则可以计算得到流体流量Q为： Q=Av=Ac2f0cosθ通过上述频移推导公式和流量计算公式可知，在各种参数确定的测量条件下，被测流体的流量与测量得到的频移值成正比。1.2.2管道流体流速分布规律管道内流体运动根据流体力学相关知识，可以知道同一管道截面上与水平轴心距离不同的位置处流速不同。通常意义上讲，单声道多普勒流量计通过多普勒原理得到的流速实际上是信息窗所在位置处流体的流速，而非管道流体截面平均流速，这就导致测量结果存在较大的误差[24]。通过分析管道流体流速分布规律，推导得到计算所需的流体截面平均的流速，才能够提高超声波多普勒流量计的测量精度，实现较为精准的流量测量。管道内流体的运动状态有两种：层流状态和紊流状态，这是由于液体自身存在粘滞性造成的。层流状态下，液体质点间不发生混掺，而是做较低速的规则的运动；紊流状态下，液体质点间作用强烈，相互掺杂，呈现不规则的运动[25]，使流速分布较为均匀。这里应用到雷诺数Re作为一个标准来界定流体运动状态。雷诺数Re是一个表征流体惯性力和粘滞力相对关系的无量纲参数，它与流体的流速、满管流体半径、流体密度和粘滞系数有关，关系定义为: Re=2v一般情况下，管道流体流动状态由层流到紊流状态的临界雷诺数值2300判定。当Re<2300时，流体处于层流状态；当2300<Re<4000时，流体处于过渡流状态；当Re>4000时，流体处于紊流状态[26]。图1.3为流体处于不同状态下流体流速的剖面图[27]。对于管道流体流速分布规律的研究，需要结合流体力学的相关知识。在管道内建立关于流体流动的坐标系，将沿轴心的坐标设为x轴，垂直x轴沿径向的坐标设为r轴，θ为垂直rOx平面看自r轴顺时针转过的角度。管道流体流动坐标系如图1.4所示。图1.3流体在层流、过渡流和紊流状态下的流速剖面示意图Fig.1.3Schematicdiagramoftheflowvelocityprofileoffluidinlaminar,transitionalandturbulentconditions图1.4管道流体流动坐标系图Fig.1.4Coordinatesystemdiagramofpipelinefluidflow应用comsolmultiphysics仿真软件模拟0.5m直径管道内入口流速1m/s的情况下层流状态时管道内不同的流速分布如图1.5所示，可以直观地反应此状态下的流速分布。当管内流体处于层流状态时，管道流体的流速分布规律为： ux(r)=umax其中，umax为管道轴心处液体流速，同时也是最大流速，r为流体质点距管道轴心的径向距离。结合图1.5和公式1.7可以知道，当r=R时，即接近管壁处的流速接近0。 u=0Rux紊流状态相对于层流状态来说，结构更为复杂，质点活动更加剧烈，流速分布规律是较为复杂的函数。紊流流速分布受很多因素的影响，通过对实验数据分析和经验推导得出其流速分布具有对数函数形式。图1.6为comsol模拟的0.2直径管道内入口流速5m/s的情况下紊流状态时管道内不同的流速分布。当管内流体处于紊流状态时，管道内流体质点进行剧烈的能量交换，使得流体的速度分布更加接近均匀分布。对于流量测量时两个接收传感器对应的声波信号反射点处的流速，在层流状态下距离中心一段距离内流速变化不明显，无法确定所测流速是否为最大流速；在紊流状态下，流速存在明显变化且关于中心对称，能够通过传感器的安装准确的测量到管内某一位置的流体流速，有利于提高测量的精确度。因此，在进行流量测量时通常选择在紊流状态下进行[28]。图1.5层流状态时管道内流体流速分布图Fig.1.5Distributionoffluidvelocityinthepipelineunderlaminarflow（a）管道入口处流速分布情况（b）管道出口处流速分布情况图1.6紊流状态时管道流体流速分布图Fig.1.6Flowvelocitydistributiondiagramofpipelinefluidinturbulentstate当管内流体处于紊流状态时，管道流体流速分布规律为： ux(r)=1+τ其中，τ为光滑管道阻力系数，它是关于Re的函数： τ=0.0032+0.221Re−0.237 则紊流状态下管道流体流速分布规律可以转化为与Re、r以及流体截面平均流速有关的对数公式。将对数公式进行转化，得到经验的指数公式：ux(r)=u其中，系数n与Re存在一定的对应的关系[29]，对应关系如下表：表1.1n与Re的对应关系Table1.1CorrespondencebetweennandReRenRenRen1.567.041.88.61109.41.057.353.68.81529.41.068.057.28.81989.83.208.364.08.82359.83.848.570.09.02789.83.968.584.49.23079.9所以，紊流状态下管道横截面上流体的平均流速u为： u=2n根据层流、紊流状态下流体流速分布规律，可以知道两种状态下流体流动截面上流速都存在不均匀分布，若采用单声道测量的方法，实际上是对管道处于内某一位置的信息窗内流体的近似流速，不能对整个流通截面进行流速信息的完整表达，造成的误差也会比较严重，对测量结果影响很大[30-35]。所以，为了避免由上述情况引起的误差，本文提出对管道流体进行分区域测量，利用两声道测量的方法为流量的计算提供管道流体截面平均流速的数据支持。1.2.3两声道多普勒法流量测量的分析（1）分区域流速测量方法分析由于单声道的超声波多普勒流量计的测量会存在较大的误差，所以考虑从测量单个信息窗内流体质点流速改为测量多个含有不同流速信息的信息窗区域，也就是对管道流体进行分区域测量。分区域测量是多声道超声波流量计的常见方法，由于多声道的测量方法建立流量数学模型的过程中涉及积分系数的确定，需要精密的仪器进行准确的实验并且结合丰富的经验推导得出，现有实验条件下存在较大困难。相比较之下，双声道的数学模型建立更为简便且同样具有准确性，可以通过两个声道的流速信息推导出截面平均流速，从而得到流量信息。而且在我国市场中已有的超声波多普勒流量计产品普遍为单声道，双声道的超声波多普勒流量计十分少见，目前双声道、多声道的方法多应用在时差法流量计设计中。出于对整体的综合考量，本文提出在分区域测量的基础上，选取两个特殊位置区域进行流速信息提取，进而推导得到流体流量的测量方法。首先，提出双声道信号收发方式，将管道流体流通截面分成若干信息窗，分别选取其中位于管道中心处和距中心距离小于R的任意位置的信息窗，对应一个发射换能器和两个接收换能器。第二，根据多普勒法和流体流速分布规律，计算并推导得到管道流体流通截面平均速度。最后，根据提供的管道参数得到流体的流量。（2）两声路流量计算模型的建立由多普勒原理得到单声路的流测计算公式为： v=c2f0通过上述公式计算得到两个声道对应的信息窗内流体的流速u r=L2tanθ （式1.14） n=logu其中，L为两接收换能器家的水平距离，可以通过工具测得。这里还需要注意r与L的关系如式1.14，L过大将无法接收到反射信号。将n带入到平均流速公式1.12中，得到截面平均流速，再与流体管道流通截面积相乘，得到管道流体的流量。1.3工作频率的确定超声波多普勒流量计的工作频率可以影响到声波在流体介质中的传播效果，进而影响流量的测量结果。所以，工作频率的选择在设计中起到关键的作用。超声波的发射频率与悬浮颗粒的粒径存在紧密的联系。这里假设悬浮颗粒在超声波声场中是一个半径为a的刚性小球，声波是以平面波传播的，考虑到声波的吸收与散射衰减，声波衰减量与振幅、距离的关系如下： dP=−αPdx （式1.16）总衰减量： 0xdPp=−α αx=lnP0Px其中，P0是发射面处的声压，Px是接收面处的声压，α为衰减系数。α的形成因素中散射衰减用于新城反射回波，因此下面主要分析这个因素当超声波的波长λ≫2a当λ较大于2a时，声波在立体介质中发生散射，呈现出在悬浮颗粒表面的发射、折射与绕射现象。在这种情况下，超声波多普勒流量计无法正常工作，并且要求超声波对流体介质的穿透力要强，反射和散射要强。当λ≈2a时，会引起多种散射的干涉场；若综合以上情况，总结得到超声波多普勒流量计的工作频率应使λ>2a且不宜过大。一般情况下会选取λ2a1.4干扰因素分析1.4.1温度的影响声波在流体中的传播速度会受到流体温度和流体自身特性影响，使传播速度无法保持一个恒定的值，会导致测量结果存在误差。为消除该因素造成的误差，将流量计算的数学模型中声波在流体介质中的传速度替换成声波在声楔中的速度。由于声楔选用的材料明确，不同材料中声波的传播速度不同，可根据材料确定声速且不受流体的温度影响。图1.7是超声波信号发射、管道内传播以及接收的传播过程。设声波在声楔材料中的传播速度为c1，流体中声速为c，声波由声楔进入流体的入射角为α，在关闭中的折射角β，在流体中的折射角为图1.7介质中声波的折射与发射图Fig.1.7Refractionandemissiondiagramofsoundwavesinthemedium由折射原理可知：sinαsinγ=c1又因为ccosθ=csinγ所以， ccosθ=csinγ=则可得新的多普勒法测流量的方程式： Q=Ac12此时，流量与声波在声楔中的速度和声波在声楔中的入射角有关，将不易确认的量转换为可查询和可人为设置的量，可以有效的减小测量误差，提高精确度。1.4.2信息窗的影响信息窗中含有若干悬浮粒子对声波束进行反射，信息窗越大，含有的粒子数越多，反射的声波束宽度增大，接收器的安装位置会受到反射波束信息量变大的影响，无法准确接收到完整的具有有效流速信息的反射声波。只有尽量减小信息窗的大小，控制