超声波测流量.doc

课程名称：现代测试技术与数据处理论文题目： 超声波测流量技术超声波测流量技术目录摘要21 引言22 测量原理22.1 时差法32.2 多普勒效应法62.3 波束偏移法82.4 相关法82.5 噪声法93超声波量计的特点94常见各类超声波流量计的应用特征104.1多谱勒式超声波流量计。104.2时差式超声波流量计。115 超声波技术测量流量的关键问题115.1 测量方向的选择115.2 超声波传感器驱动信号的确定125.3 声波的分辨与检测技术135.4 信号范围门的确定145.5 信号有效性的确定156 结束语15【参考文献】17摘要超声波流量计是通过检测流体流动时对超声束(或超声脉冲)的作用，以测量体积流量的仪表。文章主要讨论用传播时间法、多普勒效应法测量封闭管道液体流量的工作原理。1 引言在工业生产中，经常要对各种液态介质的流量进行检测，检测数据作为工艺决策、过程控制，参数调整的依据，因此液态介质的检测的精度与方法对于生产工艺的优劣和质量的影响很大，上世纪70年代随着电子技术的发展，性能日益完善的各种型号超声波流量计投入市场，已成为流量检测的主要检测仪表。超声波流量计是一种非接触式流量计，它主要应用在管道的外侧测量管道内液体流量，不需要切断流体，安装时小需要阀门、法兰等，且安装费低。超声波流量计和电磁流量计一样，因仪表流通通道未设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，近年来它是发展迅速的一类流量计之一。2 测量原理超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成，是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表。超声波发射换能器将电能转换为超声设能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算，这样就实现了流量的检测和显示。非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。 超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。 超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有：时差法；多普勒效应法；速差法；相关法；频差法。2.1 时差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，称之时差法。（1） 流速方程式如图1所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢，为：(1)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：(2)式（1）减式（2），并变换之，得(3)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，m; t12、t21从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间，s；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1、2之间声道上平均流速，m/s。时（间）差法与频（率）差法和相差法间原理方程式的基本关系为(4)(5)式中 f频率差； 相位差； f21,f12超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率； f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，而频率与时间有时互为倒数关系，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，必须用一定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，才能精确的测得流量。体积流量qv为(6)式中 K流速分布修正系数，即声道上线平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比，K=vm/v； DN管道内径。K是单声道通过管道中心（即管轴对称流场的最大流速处）的流速（分布）修正系数。管道雷诺数ReD变化K值将变化，仪表范围度为10时，K值变化约为1；范围度为100时，K值约变化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值进行动态补偿。1） 夹装式换能器仪表声道角的修正 夹装式换能器USF除了做流速分布修正外，必要时还要做声道角变化影响的修正。根据斯那尔（Snall）定律式（7）和图2，声道角随流体中声速c的变化而变化，而c又是流体温度的函数（以水为例，见图3），因此，必须对角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。(7)式中 0超声在声楔中的入射角；1、超声在管壁、流体中的折射角；c0、c1、c声楔、管壁、被测流体的声速。角不但受流体声速影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而因为一般固体材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条件下对测量精确度的影响可以忽略不计。但是在温度变化范围大的情况下（例如高低温换能器工作温度范围-40-200）就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。2） 多声道直射式换能器仪表的流量方程式直射式换能器仪表的流量方程没有管壁材料折射温度变化影响。多声道仪表常用高斯积分法或其他积分法计算流量。图4是以四声道为例的原理模型，流量计算式（8）所示。 （8）式中 DN测量段内与声道垂直方向上的圆管平均内径或矩形管道的平均内高； S高斯修正系数； Wi各声道高斯积分加权数； Li各声道长度； Vi各声道线平均流速；i各声道声道角； N声道数。2.2 多普勒效应法多普勒效应法是利用在静止（固定）点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。（1） 流速方程式如图5所示，超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fb的超声波，其值为(9)式中 v散射体运动速度。多普勒频移fd正比于散射体流动速度(10)测量对象确定后，式（10）右边除v外均为常量，移行后得(11)（2）流量方程式 多普勒法的流量方程式形式上与式（6）相同，只是所测得的流速是各散射体的速度v（代替式中的vm），与载体液体管道平均流速数值并不一致；方程式中流速分布修正系数Kd以代替K0 Kd是散射体的“照射域”在管中心附近的系数；其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数。（3） 液体温度影响的修正 式（11）中又流体声速c，而c是温度的函数，液体温度变化会引起测量误差。由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即在式（11）中的流体声速c用声楔的声速c0取代，以减小用液体声速时的影响。因为从图6可知cos=sin,再按斯纳尔定律sin/csin0/c0，式（11）便可得式（12），其中c0/sin0可视为常量。(12)（4） 散射体的影响实际上多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体，而所测得各散射体速度和载体液体平均流速间的关系也有差别。其他参量如散射体粒度大小组合与流动时分布状况，散射体流速非轴向分量，声波被散射体衰减程度等均影响频移信号2.3 波束偏移法波束偏移法是利用超声波束垂直流体流动的方向上入射时，由于流体的流动而使超声波束产生偏移的现象，以偏移量的大小来度量被测流体的流速。它的工作原理如图7所示。图7 波束偏移法的原理图在管道一侧装一超声波发射换能器T，在另-fJ安装两个接收换能器R1和R2，由T所发射的超声波垂直于流体流动方向。当流体静止或无流体时，超声波束如图中实线所示，这时两个接收器收到的信号强度相等，指示器示值为零。而当流体流动时，两个接收器所接受到的超声波强度不再相等，出现差值。上游侧的接收器输出信号电压降低，下游侧的输出信号电压升高，两个电压之比与流速成线性关系，测得两个接收波的电压幅值差，可求得流体的流速。2.4 相关法相关法测量流量属于非接触式测量方法，在使用超声波换能器的同时，需要将两组参数近似相等的换能器固定在被测管道上进行测量。通过对接受到的两路信号进行实域特性分析，可以确定岛，从而求得流量。相关法的测量的特点在于寻找两路信号的相似程度，因此这种方法的测量精度与所测管道的口径、介质的种类及流速关系不大，比较而言，相关法更适合小管道、小流量的测量。2.5 噪声法管道中流体流动时产生的噪声与流体流速有关，通过检测噪声可以求得流速值，在测量精度不高时可以用这种方法(10以内)。这种方法又被称为被动式测量(凡有超声波发射的称为主动式测量)。以上这些方法各有优缺点，在实际应用中，要根据待测对象和要求的精度进行选择。在某些工业测量中有510的精度就够了，这时可以采用波束偏移法和噪声法。目前工业上常用的是传播时差法和多普勒效应法，用这两种方法作研究的很多，所生产的产品性能也比较稳定，精度高。相关法的研究也比较活跃，并有相应的产品问世，但由于技术和价格上的原因，应用不是很广泛，有待于技术上的进一步成熟。 3超声波量计的特点众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。 另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。 超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量200以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m/s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是103数量级若要求测量流速的准确度为1%，则对声速的测量准确度需为10-510-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。4常见各类超声波流量计的应用特征4.1多谱勒式超声波流量计。只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂质含量稳定的工厂过程液等。要注意它对被测介贡要求比较苛刻，不能是洁净水，杂质含量要相对稳定，才可以正常测量。选择此类超声波流量计即要对被测介质中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对破测介质的要求有深入的了解。4.2时差式超声波流量计。目前生产最多、应用范围最广泛的超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水领域，得到广泛应用。此外它也可以测量杂质含量不高-J、于10gI,，粒径小于1m面的均匀流体，如污水的测量，而且精度可达15。实际应用表明，选用时差式超声波流量计，对流体的测量都能达到满意的效果。5 超声波技术测量流量的关键问题5.1 测量方向的选择根据对信号检测的原理，目前用超声波传感器测流量计大致可分传播速度差法(包括直接时差法、时差法、相位差法、频差法)、波束偏移法、多普勒法、空间滤波法及噪声法。其中噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度校高，所以被广泛应用。按照换能器的配置方法的不同，传播速度差法又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，此方法在低流速时，灵敏度很低适用性不大。多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流量测量。相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度无关，因而流量准确度高，适用范围广。但相关法仪器价格昂贵，线路比较复杂。噪声法(又叫听音法)是利用通道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，成本低，但准确度低。可见以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质、流速分布情况、管路安装地点及对测量准确度的要求等因素进行选择。一般来说，由于工业生产中流体的温度常不能保持恒定，故多采用不受温度变化影响的频差法和时差法，只有在管径很大时才采用直接时差法。对超声波传感器的安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管轴不平行或管路安装地点使超声波传感器的安装间隔受到限制时，采用V法或x法。多普勒法适用于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮颗粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。5.2 超声波传感器驱动信号的确定在超声波测流量的应用中，系统接收信号的大小和质量直接取决于发射传感器的驱动信号。由于在实际应用中，对传播距离的要求和超声波空间衰减现象的存在，传感器的驱动电压一般为几十伏到几百伏。发射传感器的驱动信号可采用正弦信号也可采用脉冲信号。在采用脉冲作为驱动信号时，一般采用的是单脉冲，但是脉冲的宽度影响着接收信号的大小和质量。根据频谱分析，其脉冲宽度与传感器频率之间存在一最佳关系式，当脉冲宽度满足该关系式时，接收传感器的接收信号最好。为了使传感器的输出特性最佳，所发送的脉冲信号在传感器的中心频率处应该信号最强；但另一方面脉冲宽度不能太大，否则会给接收传感器带来很大的干扰，使接收电路识别不出所接收信号是否为真实信号。因此可以考虑中心频率对应的角频率取在偏离直流信号一定角频率的第一个峰值3/2a处，于是有：2 f0=3/2a式中，f0为传感器中心频率；2a为脉冲宽度。发射信号与接收信号的波形示意图如图8所示。图8 信号自动跟踪示意图现以我们所用的一组超声波传感器为例来说明，传感器的中心频率为1 MHz，那么根据式(1)确定的发射脉冲的宽度应为1.5s。对发射传感器分别加1、1.5、3s宽度的脉冲信号，比较测得的接收信号，最后得出的结果表明由式(1)求出的发射脉冲宽度即脉冲宽度1.5s作为发射传感器的驱动信号，接收传感器的接收信号幅度较大，质量较好。5.3 声波的分辨与检测技术超声波在液体中传播，信号不可避免地衰减，发生形变。同时工业现场的管道噪声和变频设备的电噪声等于扰信号与超声波信号一起被超声流量计的换能器所接收，这样，准确地分辨和检测超声波信号便成为超声波流量计的关键技术。早期的超声波流量计采用跟踪声波最大峰值来检测声波信号并进行流量测量，这样，当声波通过管壁和流体发生形变，或干扰信号较强时，容易发生声波检测错误进而造成流量测量错误。现在多采用信号自动跟踪技术，如图9所示。图9 信号自动跟踪示意图超声波流量计首先把检测到的一列超声波信号中第一个峰值符合一定值的波作为首波，峰值为A+Gt，然后检测它的前一个波，峰值为A一0t，把两个波的波峰平均值A对应的时间Tm作为接收信号的计时时刻，而这一列波的最大波峰值通过自动平衡电路，把它稳定在1.5V左右，通过自动跟踪A值，便可准确地辨别和跟踪整个超声波信号。5.4 信号范围门的确定为了有效的减少噪声的干扰，我们常常采用范围门来确定测量信号。范围门的确定先根据超声波在流体中的传播特性，大概计算出接受信号的延迟时间，然后根据每一声路的长度和流经测量断面的流量范围预期信号的最早和最晚到达的时间确定的。根据最早和最晚到达时时间用来定义三个门：噪声门、范围门和溢出门。在最早到达时间的0.6倍处打开接收信号的通道，这样可以防止发射脉冲给接收信号带来的干扰及其它干扰，在最早到达时问的0.8倍处开始等待接收信号，在这之间为噪声门，它可以排除开关动作带来的干扰，在最晚到达时间的1.5倍处关掉接收通道，此处为溢出门，噪声门和溢出门之间为范围门(传播时问范围)。噪声门、范围门及溢出门示意图如下图所示。图10 噪声门、范围门、溢出门示意图5.5 信号有效性的确定确定信号接收范围在一定程度上有效地抑制了噪声的干扰。信号有效性检验方法是根据传感器接收信号特性以及在实验测量的基础上确定的，设置一个有效信号检测门槛来验证检测电平的有效性。接收信号的门槛检测电平为+0.2V，另外增设一个过一0.2 V的门槛电平；当系统检测到+0.2 V的信号后，只有当在它之后的一0.2 V电平信号到达时间在有效范围之内时，才认为刚才检测到信号是有效的。否则，认为检测到的是噪声。信号有效性检验确保了检测到的信号的可靠性。随着电子技术和集成技术的飞速发展，超声波测流量的硬件实现方法上也有很大的改进，由原来的单片机作为微处理器变为高精度的浮点运算的DSP为系统的核心器件，这样大大提高了测量的精度，减少了系统的噪声；可编程逻辑器件FPGACPLD的应用，更是提高了计数的准确度以及准确地实现时问的控制等功能，这些都为提高超声波测流量的检测精确提供了条件。6 结束语超声波流量计有多种形式，从精度上看其顺序为传播速度差法、多普勒，频差法适用于辅助测量或开关的监视。典型的时差法，它得到了广泛的应用，但在用于含有很多气泡或悬悬浊物的液体时存在着稳定度的问题。在这样的场合用多普勒法有利，可以用来测量下水、排水、泥水等。所有的方法都可以在不管是否有自由水面的条件下进行测量，但因为受流速分布的影响，直管段长度在上流侧需要为1020D，在下流侧需要为5D左右。可是，如果进行多测量线（点）的测量的话，可以允许缩短这个直管段的长度，在感潮部的流速分布为非恒定的情形下也可以测量。使用这些方法可以在不妨碍流动、无压力损失的情况下进行测量，这是很大的特点。超声波流量计的使用与液体的种类和特性无关，也可以测量气体，特别是在大流量测量时其优点非常显著，从管道外壁可以测量管内流动液体的流量也是其他方法所没有的特点之一。【参考文献】1赵晋梅，薛梅花，闫玉会超声波测流技术和超声波流量计的应用J仪器仪表标准化与计量，2004，(1)：3O312张言文，赵华，王启东流量计校核实验装置的改造J北京轻工业学院学报，1997，15(1)：7882.3黄挚雄超声波流量计的发展与应用J自动化与仪表，19984程利时差式超声波流量计在污水计量上的应用J中国计量，2004，(8)：5758.5朗瑶.浅谈利用超声波测量流体流量J.科技信息，2011(10)6李广峰，刘目方，高勇超声波流量计的高精度测量技术J仪器仪表学报，2001，22(6)：6446477王爱明，李艾华，冯永保，王得君超声波流量检测中信号处理算法研究EJ机床与液压，2003(3)：3303328赵晋梅，薛梅花，闫玉会超声波测流技术和超声波流量计的应用计量技术EJ32002(3)17