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超聲波多普勒流量計(jì)測量原理
2012-12-03
1．基本工作原理
超聲波多普勒流量計(jì)的測量原別是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對運(yùn)動時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個(gè)因相對運(yùn)動而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比．
在超聲波多普勒流量測量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運(yùn)動的固體顆粒起了與聲源有相對運(yùn)動的“觀察者”的作用，當(dāng)然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收據(jù)．發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動而產(chǎn)少的聲波多普勒頻移．由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速．進(jìn)而可以得到流體的流量．
因此，超聲波多普勒流量測量的一個(gè)必要的條件是：被測流體介質(zhì)應(yīng)是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質(zhì)．這個(gè)工作條件實(shí)際上也是它的一大優(yōu)點(diǎn)，即這種流量測量方法適宜于對兩相流的測量，這是其它流量計(jì)難以解決的問題．因此，作為一種極有前途的兩相流測量方法和流量計(jì)，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應(yīng)用．
2．流量方程
假設(shè)，超聲波波束與流體運(yùn)動速度的夾角為 ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運(yùn)動速度與流體流速相同，均為u．現(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導(dǎo)出聲波多普勒頻差與流速的關(guān)系式．
由流量方程可見，流雖測量結(jié)果受流體中的聲速c的影響．一般來說，流體中聲速與介質(zhì)的溫度、組分等有關(guān)，很難保持為常數(shù)．為了避免測量結(jié)果受介質(zhì)溫度、組分變化的影響，超聲波多普勒流量計(jì)一般采用管外聲楔結(jié)構(gòu)，使超聲波束先通過聲楔及管壁再進(jìn)入流體。設(shè)聲楔材料中的聲速為c1；流體中聲速為c；聲波由聲楔進(jìn)入流體的入射角為
；在流體中的折射角為
；超聲波束與流體流速夾角為a；見圖1所示，根據(jù)折射定理，有：代入流量關(guān)系式，可得：由此式可見，采用聲楔結(jié)構(gòu)以后，流量與頻移關(guān)系式中僅含有聲楔材料中的聲速c1而與流體介質(zhì)中的聲速c無關(guān)．而聲速c1溫度變化要比流體中聲速c隨溫度變化小一個(gè)數(shù)量極，且與流體組分無關(guān)．所以，采用適當(dāng)材料制造聲楔，可以大幅度提高流量測量的準(zhǔn)確度。
從上述討論可知，該流量計(jì)測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，所以要求信息窗應(yīng)位于管內(nèi)接近平均流速的區(qū)域上，才能使其測量值能反映管內(nèi)流體的
平均流速．但是管內(nèi)平均流速區(qū)域的位置是一與雷諾救有關(guān)的函數(shù)，當(dāng)管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re發(fā)生變化時(shí)，其平均流速區(qū)域位置也將改變．而一旦流量計(jì)安裝完畢，其多普勒信息窗位置就固定了，為使測得的多普勒頻移信號Δf能在不同雷諾數(shù)Re條件下均能正確地反映流量值，在流量計(jì)算公式中引入流速修正系數(shù)K．流速修正系數(shù)K是雷諾數(shù)Re和信息窗位置的函數(shù)，用它來對因上述原因引起的測量誤差進(jìn)行修正．因此，超聲波多普勒流量計(jì)的實(shí)際流量計(jì)算式可以寫成：qv＝式中，符號意義同前。http://vntnorcwa.cn/
超聲波多普勒流量計(jì)的測量原別是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對運(yùn)動時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個(gè)因相對運(yùn)動而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比．
在超聲波多普勒流量測量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運(yùn)動的固體顆粒起了與聲源有相對運(yùn)動的“觀察者”的作用，當(dāng)然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收據(jù)．發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運(yùn)動而產(chǎn)少的聲波多普勒頻移．由于這個(gè)頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速．進(jìn)而可以得到流體的流量．
因此，超聲波多普勒流量測量的一個(gè)必要的條件是：被測流體介質(zhì)應(yīng)是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質(zhì)．這個(gè)工作條件實(shí)際上也是它的一大優(yōu)點(diǎn)，即這種流量測量方法適宜于對兩相流的測量，這是其它流量計(jì)難以解決的問題．因此，作為一種極有前途的兩相流測量方法和流量計(jì)，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應(yīng)用．
2．流量方程
假設(shè)，超聲波波束與流體運(yùn)動速度的夾角為 ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運(yùn)動速度與流體流速相同，均為u．現(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導(dǎo)出聲波多普勒頻差與流速的關(guān)系式．
由流量方程可見，流雖測量結(jié)果受流體中的聲速c的影響．一般來說，流體中聲速與介質(zhì)的溫度、組分等有關(guān)，很難保持為常數(shù)．為了避免測量結(jié)果受介質(zhì)溫度、組分變化的影響，超聲波多普勒流量計(jì)一般采用管外聲楔結(jié)構(gòu)，使超聲波束先通過聲楔及管壁再進(jìn)入流體。設(shè)聲楔材料中的聲速為c1；流體中聲速為c；聲波由聲楔進(jìn)入流體的入射角為
；在流體中的折射角為；超聲波束與流體流速夾角為a；見圖1所示，根據(jù)折射定理，有：代入流量關(guān)系式，可得：由此式可見，采用聲楔結(jié)構(gòu)以后，流量與頻移關(guān)系式中僅含有聲楔材料中的聲速c1而與流體介質(zhì)中的聲速c無關(guān)．而聲速c1溫度變化要比流體中聲速c隨溫度變化小一個(gè)數(shù)量極，且與流體組分無關(guān)．所以，采用適當(dāng)材料制造聲楔，可以大幅度提高流量測量的準(zhǔn)確度。從上述討論可知，該流量計(jì)測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，所以要求信息窗應(yīng)位于管內(nèi)接近平均流速的區(qū)域上，才能使其測量值能反映管內(nèi)流體的
平均流速．但是管內(nèi)平均流速區(qū)域的位置是一與雷諾救有關(guān)的函數(shù)，當(dāng)管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re發(fā)生變化時(shí)，其平均流速區(qū)域位置也將改變．而一旦流量計(jì)安裝完畢，其多普勒信息窗位置就固定了，為使測得的多普勒頻移信號Δf能在不同雷諾數(shù)Re條件下均能正確地反映流量值，在流量計(jì)算公式中引入流速修正系數(shù)K．流速修正系數(shù)K是雷諾數(shù)Re和信息窗位置的函數(shù)，用它來對因上述原因引起的測量誤差進(jìn)行修正．因此，超聲波多普勒流量計(jì)的實(shí)際流量計(jì)算式可以寫成：qv＝式中，符號意義同前。http://vntnorcwa.cn/
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