超声波多普勒流量计是一种新型流量测量技术,它利用多普勒效应的原理,通过传感器向流体介质发射超声波并接收其回波信号,来精确获取流速参数并计算流量。超声波多普勒流量计因其可靠、准确、实时测量各种流体流量而得到广泛应用。其测量原理较为复杂,主要包括超声波扫描与反射、多普勒频移检测以及流量计算方法三个方面。

一、超声波的扫描与反射

超声波多普勒流量计的核心部件是测量传感器,它可以发射和接收超声波信号。在管道装入传感器,其向被测流体发送一系列超声脉冲,当超声波遇到流动介质时,声波会受到流体中固定散射体的反射作用而返回传感器。根据超声波的传播速度是固定的,通过检测从发射到接收回波的时间间隔,可以确定扫描体积的距离,从而实现对管道内部流动流体的扫描作用。

在实际测量中,传感器每次只能测得流体在某一方向上返向传感器的组分,这并不能完整反映流体运动状态。所以,传感器会不断改变超声波的传播方向,进行多方向的扫描,才能全面地探测到流体的运动情况。一般超声波以1-10MHz的频率,以1°-30°的角度 increment进行方向扫描,重复扫描的次数可达10-100次/秒。

二、多普勒频移的检测及分析

当超声波遭遇运动的散射体时,会发生多普勒频移现象。频移值与流体运动速度成正比。这一多普勒效应是超声波多普勒流量计的测量基础。

接收器收到从流体反射回来的信号后,将其与发射信号进行混频。因为反射信号出现多普勒频移,所以混频得到的频差即为多普勒频移。这种频差信号经过放大和滤波后送入信号处理器进行分析,可以提取出流速参数信息。

但是,由于声束的角度和流速方向不一致,测得的多普勒频移与实际速度有一定的余弦关系。为得到流速准确值,需要进行角度补偿,引入一个角度校正因子。

三、流量的计算方法

根据流速分布情况,超声波多普勒流量计可以采用不同的计算方法,得到平均流速并最终测定出流量。

1. profiling法。该法假定流速在管横截面上符合一定分布规律(如抛物线分布),以多点检测构成流速剖面图,通过数据拟合计算出平均流速。

2. 波束法。该法利用声束直接测量声束包围的流速矩形元素的平均速度,然后利用这些平均速度加权确定管段的平均速度。

3. 时间法。该法在一定时间内采样并对传感器检测到的瞬时流速进行积分,得到期间的平均流速。

当得到平均流速后,再根据管道的横截面积,可以按照连续性原理直接计算出管道的流量。Qs=Vm*A,其中Qs为体积流量,Vm为平均流速,A为管道横截面积。

超声波多普勒流量计的测量原理主要基于多普勒效应,将超声波的频移转化为流体流速,再计算出流量。该技术具有精确、快速、无损的特点,可实现对各种流体流动的实时监测,在工业流量计量中具有广阔的应用前景。