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超聲波流量計技術(shù)概況
超聲流量計技術(shù)概況
                           ——時間差法
    超聲波流量計技術(shù)是一門通過檢測流體流動對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的技術(shù)。超聲波，一般定義為“人耳聽不見的聲音”，人耳的可聽聲音頻率在16HZ~20kHZ之間。而超聲流量計在各種液體中使用的頻率，則約為100kHZ~2MHZ。超聲波具有很強的方向性以及穿透、反射、折射等特性，在氣體液體固體都也有良好的傳播性能。正是基于超聲波的這種特性，超聲流量計得以長足發(fā)展。
    現(xiàn)有的超聲波測量技術(shù)主要有傳播時間差法，多普勒（doppler）法，頻差法以及流速液面法等。這兒主要介紹時間差法。
時間差法
    原理結(jié)構(gòu)如右圖所示，換能器1和2安裝在水流的上下游處，主板芯片通過換能器1發(fā)出超聲信號時，換能器2禁止發(fā)射處于接收狀態(tài)。當換能器2接收到1發(fā)射的信號時自身轉(zhuǎn)換成發(fā)射狀態(tài)，此時，換能器1處于接收狀態(tài)。 整個過程中，系統(tǒng)會記錄下超聲波從上游換能器1到換能器2的時間T1和從下游換能器2到換能器1的時間T2。由于水流的影響，T1和T2會存在一個時間差ΔT=T2-T1,*后通過ΔT計算出水流的速度。
設(shè)超聲波的傳播速度為c，水流的速度為v，管道的內(nèi)徑為D，超聲波的入射角為θ，聲程為L=D/sinθ
則有上述可知：
T1=L/(c+vcosθ)          （1）
T2=L/(c-vcosθ)          （2）
由（1），（2）可知，超聲波在順流和逆流方向上傳播的時間差為
ΔT=T2-T1=2Lvcosθ/(c^2-v^2*cos^2(θ))         (3)
   由于超聲波的傳播速度一般在1400~1550m/s，而水流速度可參考常用流量一般v《10m/s，故c^2>>v^2*cos^2(θ)，即(3)式變?yōu)?/span>
ΔT=2Lvcosθ/c^2           (4)
通過（3）式就可以得到水流速度v 的理論公式
v=ΔT*c^2/2Lcosθ          (5)
    超聲時差法測量水流速度的基本原理就是如上所述，但是在實際運用中卻遠遠沒有想象中的那么簡單。這兒必須提到一個重要的無量綱數(shù)——雷諾數(shù)，它是判斷管內(nèi)流動是層流運動還是湍流運動的重要參數(shù)，其數(shù)學定義式為
Re=vD/μ
其中v是流體的平均流速（m/s）,D是流速的特征尺寸（m）,μ是工作狀態(tài)下流體的運動粘度（m^2/s）.一般而言，當Re《2000時為層流狀態(tài)，當Re》4320時流體狀態(tài)為紊流狀態(tài),在層流，紊流及介于層流紊流之間的狀態(tài)，管道內(nèi)流體速度通過流體力學都可以得到一個流體速度公式。由于單聲道的測量路徑是沿直徑的一條直線，在理想條件下即管道內(nèi)壁足夠光滑和充分長的直管道，線平均速度v和面平均速度vS有以下的關(guān)系式
K=v/vS
很明顯，K是和管道中水流速度分布規(guī)律有關(guān)，層流和管流將對應(yīng)不同的公式。在層流狀態(tài)下，流量修正系數(shù)K為一個常數(shù)
K=4/3
  在紊流狀態(tài)下，可利用尼庫拉茲（Nikurdse）的摩擦系數(shù)得到修正系數(shù)為
K=1+0.01√(6.25+431Re^(-0.237))
  在流體的流動狀態(tài)介于層流和紊流之間時，用布拉修斯??Blasius）摩擦系數(shù)加以修正，修正系數(shù)為
K=1-0.011log（Re）
    以上是我們通過流體力學對管道內(nèi)流體狀態(tài)帶來的測量數(shù)值的誤差進行修正，而在我們的計算公式中超聲波的傳播速度c并非是一個常數(shù)值，它也是隨著溫度的變化而變化的，查表后再通過matlab模擬，我們可以得到這樣的模擬圖
 
并得到在一個大氣壓下水中聲速和溫度的關(guān)系
c=-0.02787t^2+4.066t+1409
    這樣的結(jié)果是不是已經(jīng)就滿意了呢？然而現(xiàn)實遠遠不是這樣，隨著測量精度的不斷提高，單聲道的測量方式達不到更高的要求，雙聲道四聲道逐漸發(fā)展起來，我們期望測量更長的聲程乃至獲得截面。同時，由于不同換能器在轉(zhuǎn)換電聲信號時都會帶來一定的時間延遲，甚至不同主板芯片一樣帶來時間差，溫度、濕度、壓力等等等等都是需要我們細致考慮的問題。甚至說在現(xiàn)代工業(yè)戶用等方面，我們進步的越來越多，我們需要解決的東西也越來越多。只能說，在超聲波流量計的開發(fā)和研究乃至產(chǎn)品和服務(wù)上，我們以及國內(nèi)同行任重而道遠，望大家一同進步，于行業(yè)中創(chuàng)造出更好的價值?。ㄒ陨嫌^點均為個人見解，僅作為參考，如果錯誤，歡迎指摘。本文章出上海迪納聲科技股份有限公司www.dynaflox.com.cn）