超聲波多普勒流量計測量原理
2012-12-03
1．基本工作原理
超聲波多普勒流量計的測量原別是以物理學中的多普勒效應為基礎的。根據(jù)聲學多普勒效應，當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個因相對運動而產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，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，當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動而產少的聲波多普勒頻移．由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速．進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必要的條件是：被測流體介質應是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質．這個工作條件實際上也是它的一大優(yōu)點，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，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應用．
2．流量方程
假設，超聲波波束與流體運動速度的夾角為 ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運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，導出聲波多普勒頻差與流速的關系式．
由流量方程可見，流雖測量結果受流體中的聲速c的影響．一般來說，流體中聲速與介質的溫度、組分等有關，很難保持為常數(shù)．為了避免測量結果受介質溫度、組分變化的影響，超聲波多普勒流量計一般采用管外聲楔結構，使超聲波束先通過聲楔及管壁再進入流體。設聲楔材料中的聲速為c1；流體中聲速為c；聲波由聲楔進入流體的入射角為
；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：代入流量關系式，可得：由此式可見，采用聲楔結構以后，流量與頻移關系式中僅含有聲楔材料中的聲速c1而與流體介質中的聲速c無關．而聲速c1溫度變化要比流體中聲速c隨溫度變化小一個數(shù)量極，且與流體組分無關．所以，采用適當材料制造聲楔，可以大幅度提高流量測量的準確度。
從上述討論可知，該流量計測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內的流體速度，所以要求信息窗應位于管內接近平均流速的區(qū)域上，才能使其測量值能反映管內流體的
平均流速．但是管內平均流速區(qū)域的位置是一與雷諾救有關的函數(shù)，當管內流動的雷諾數(shù)Re發(fā)生變化時，其平均流速區(qū)域位置也將改變．而一旦流量計安裝完畢，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行修正．因此，超聲波多普勒流量計的實際流量計算式可以寫成：qv＝式中，符號意義同前。http://www.mrcaleather.com/
超聲波多普勒流量計的測量原別是以物理學中的多普勒效應為基礎的。根據(jù)聲學多普勒效應，當聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個因相對運動而產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，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，當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動而產少的聲波多普勒頻移．由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速．進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必要的條件是：被測流體介質應是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質．這個工作條件實際上也是它的一大優(yōu)點，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，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應用．
2．流量方程
假設，超聲波波束與流體運動速度的夾角為 ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運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，導出聲波多普勒頻差與流速的關系式．
由流量方程可見，流雖測量結果受流體中的聲速c的影響．一般來說，流體中聲速與介質的溫度、組分等有關，很難保持為常數(shù)．為了避免測量結果受介質溫度、組分變化的影響，超聲波多普勒流量計一般采用管外聲楔結構，使超聲波束先通過聲楔及管壁再進入流體。設聲楔材料中的聲速為c1；流體中聲速為c；聲波由聲楔進入流體的入射角為
；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：代入流量關系式，可得：由此式可見，采用聲楔結構以后，流量與頻移關系式中僅含有聲楔材料中的聲速c1而與流體介質中的聲速c無關．而聲速c1溫度變化要比流體中聲速c隨溫度變化小一個數(shù)量極，且與流體組分無關．所以，采用適當材料制造聲楔，可以大幅度提高流量測量的準確度。從上述討論可知，該流量計測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內的流體速度，所以要求信息窗應位于管內接近平均流速的區(qū)域上，才能使其測量值能反映管內流體的
平均流速．但是管內平均流速區(qū)域的位置是一與雷諾救有關的函數(shù)，當管內流動的雷諾數(shù)Re發(fā)生變化時，其平均流速區(qū)域位置也將改變．而一旦流量計安裝完畢，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行修正．因此，超聲波多普勒流量計的實際流量計算式可以寫成：qv＝式中，符號意義同前。http://www.mrcaleather.com/
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