, 2020 超声波气体流量计基本原理介绍 超声波气体流量计基本原理介绍 超声波流量计一般可分为两类：时差超声波流量计和多普勒超声波流量计。 在含有悬浮颗粒的流动流体中，可利用声多普勒效应测量多普勒频移来确定介质流速v。这种方法称为超声多普勒法。 由于目前市场上的超声波气体流量计产品均为时差式超声波流量计，因此下面将重点介绍时差式超声波流量计的原理。 当超声波在流动介质中传播时，相对于固定的坐标系，超声波速度与静止介质中的传播速度不同，其变化值与介质流量有关。 因此，根据超声波速度的变化即可计算出介质的流量。 走时超声波流量计就是根据这一原理设计的。 超声波流量计由测量传感器部分和电子电路部分两部分组成。 测量换能器又称换能器，包括超声波发射器、接收器、声楔及相应的机械连接部件。 电子电路包括超声波发射和接收电路、信号处理电路、流量数据指示或输出电路等。超声波传播时间法流量测量的原理。 渡越时间法是通过测量超声波脉冲在顺流和逆流中的传播时间差来获得介质流量的方法。

参见图1-1，管道两侧安装有两个通用收发超声波换能器R、T。 管道内介质以速度u向前流动。 管道内流速断面和超声波射线轨迹图中的两个换能器交替工作在发射和接收状态。 当T发送且R接收时，称为下行发送状态。 相反，当R发送而T接收时，称为逆流发送状态。 。 假设超声波脉冲在下游发射时的传播时间为 ，超声波脉冲在逆流中的传播时间为 ，则有 (1-1) 式中 u 为管道内介质的流速，是超声波在静止介质中的声速； 这里 是声楔的长度（OP）或（BC）， 是超声波在管壁中的声速， 是超声波脉冲通过声楔的时间， 是电路的延迟时间。 考虑到一般情况>>，根据式1-1可得到流量的计算公式： (1-2) 根据式可得到管道内流体中的声速的计算公式式1-2： (1-3) 由于声速与流体的密度成线性关系，因此根据式1-3可得到流体的质量流量。 直圆管段中流体的特性由流体的雷诺数决定，雷诺数是一个无量纲数（），由流体的流量、管道直径、密度和动力计算得出流体的粘度。 一般情况下，被测流体可分为两种管流工况：紊流（ ）和层流（ ）。 当流速较高或管壁粘度较小时，流体颗粒受惯性力作用，颗粒相互混合。 混沌、不规则的流动称为紊流； 当流量较低或管壁粘度较高时，流体粘度引起的摩擦力较大。 流体流动状态为平滑层流，各流动层中的颗粒彼此不混合。 而且层次清晰，这种流动称为层流。

湍流状态下的流速呈以管道轴线为中心的对数曲线对称分布，而层流状态下的流速呈抛物线对称分布。 一般来说，当雷诺数Re≥2300时，可以认为已达到湍流，而当雷诺数较小（小于2300）时，一般为层流。 然而，这种流场特性会因管道中弯头的存在而受到干扰。 通常，这种扰动可以描述为在流体的管道轴向流速上叠加了与流动方向垂直和正交的称为涡流的流速分量。 ，涡流的强度取决于流体中由于肘状效应而产生的扰动的强度。 这种涡流无疑影响超声波流量计的精度。 从机械安装的角度来说，可以通过在流量计前面安装足够长的直管来解决。 就流量计设计本身而言，可以通过多通道测量、布置交叉声通道或采用反射声通道来消除涡流的影响。 使用走时法测量流量误差的技术要点 任何测量都存在误差。 对于走时超声波流量计的测量方法来说，测量误差大致可分为以下几种： 被测介质的温度或浓度的变化引起声速值的相应变化。 由声速变化引起的流量测量误差称为纯温度或纯浓度误差。 双通道参数的不对称包括双通道传感器机械尺寸、电气特性等参数的不对称、被测介质流动条件的不一致、电子电路的不对称等。 这些因素引起的测量误差称为附加温度误差。 由于流速截面上实际流速分布与理想流速分布不一致而引起的测量误差称为流速截面误差。

纯温度和纯浓度误差是超声波流量计的主要固有误差。 如前所述，对于时差法，温度和浓度变化引起的流速测量相对误差是声速相对变化的两倍。 附加温度误差一般分为两类。 一是换能器参数不对称、电路零漂等引起的随机误差，二是电路接线和器件不对称、流量大等引起的声束偏转引起的。 顺流与逆流方向不一致等因素造成的系统误差。 前者可以采用单通道和统计平均的方法来减小，而后者则需要与后面提到的第三类流速截面误差一起进行校正。 统一取消系数k实测标定的方法。 流量计灵敏度的定义是当流体流量变化单位量时，用各种方法直接测得的特征量的变化值（特征量指时差法），灵敏度分别为。 流量计的测量范围是指流量测量的上下限的起止范围。 原则上，流量测量范围从零开始，没有上限。 然而，在实际应用中，流量测量范围会受到声束漂移和每种方法的特性等条件的限制。 **小测量值等等。 在渡越时间法中，流速u是特征量的单值函数，因此测量范围理论上没有上限，但测量范围的下限是有限的，主要由测量值决定的运输时间。 如果系统能够达到微秒级的**精度，并且要保证1%的测量精度，那么测量时间的下限就是1微秒。 当超声波束在管道内反射后被接收换能器接收时，根据式（1-2），D=50mm，=340m·s，则流速测量下限为u=0.578m ·s。

如果在此基础上还需要进一步提高系统的测量精度，可以采用时间扩展法，即顺流和逆流多次发射超声波，如N次，然后通过统计平均，测量的相对精度就会相应提高。 同时，该方法还可以扩展流速测量的下限。 由式（1-2）可知，灵敏度与直径D成正比，与介质中声速的平方成反比。 灵敏度随着管道直径的增加以及测量较低声速的流体而增加。 噪声 通常，管道上会存在由泵、减压阀等引起的振动。这些振动会发出超声波噪声，噪声频谱可以延伸到超声波换能器的工作频率范围内。 噪声的引入可能是流体引起的噪声，或设备引起的噪声，例如减压阀发出的噪声。 后一种类型的干扰噪音更为严重，特别是当这种减压阀在高压差(例如高于10或20巴)下操作时。 在这些条件下，耗散的能量可能相当大，即使它很小。 有一小部分转化为声能，但仍可能发出很大的噪音。 由于信号和噪声频率范围一致，当信号被噪声淹没时，无法有效检测传播时间，流量计可能无法工作。 通常的解决办法是考虑流量计的安装位置，加长管道，使流量计尽可能远离噪声源。 第二是应用数字信号处理技术，比如一些滤波和相关算法。 提高信噪比是研究如何提高流量计性能的主要内容。

行业标准及行业应用虽然目前有发布报告，ISO也发布了技术文件，我国也制定了相应的GB/标准，但从产业化和标准化应用的角度来看，超声波流量计还得在行业中**应用。 应抓好以下四个方面的工作。 根据不同类型阻力部件对工业流场上游侧的影响，合理确定不同情况下流量计上游直管段长度。 工作压力、温度和气体成分的变化对流量测量和校正方法的影响。 准确确定不同雷诺数下的速度分布轮廓修正系数以及流量计本体几何尺寸误差对精度的影响。 探头电气特性的稳定性以及探头的互换性等。另外，对于超声波流量计的标定也没有达成共识。 从超声波流量计的结构和测量原理来看，这种速度流量计可以实现“干式校准”。 这是因为利用目前的测量技术和手段，可以精确测量流量计腔体的几何尺寸D、声通道的长度L以及传感器之间的轴向长度X。 如果电子电路和传感器的性能测量准确，传感器元件的电气特性稳定且可互换，那么“干校准”就能找到实际应用。 但目前还没有足够的技术措施和理论来证明这一点。 目前，在北美、南美和欧洲，供需双方都要求用于贸易测量的超声波流量计具有足够的测量精度。 基于此，**可靠的方法是校准。