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超声波流量测量技术研究

       超声波流量计和电磁流量计已有三、四十年的历史,最近几年有了不少改进,特别是超声波流量计采用新的电子技术、信息处理技术和微处理器的应用提高了仪器性能,降低了成本,增强了产品的竞争力.
 
       超声波流量计使用超声波传感器(也称换能器,一般是精密的压电晶体探头),声信号透过流体管壁和流体传播,由于包括所有金属、橡胶和玻璃管以及一些由合成玻璃管和水泥等均一材料构成的绝大多数管子和它们的护面如水泥、煤焦油、塘瓷及环氧树脂都是导声的,因此超声波信号的获取是比较容易的.管子的塑料橡胶衬垫等只要他们紧粘着管子的内表面且衬面与管壁间无间隙,也不会对信号造成障碍.
 
       超声传感器夹或固定在流体管道的外面,在安装和维护时不需切断流量.采用夹装式的超声波流量计测量技术的一个最显著的特点在于便携性,非常适合于流量巡检,另外超声波流量计与其他类型流量计相比,还有很多优点:它可以实现非接触流量测量,对测量管道来说,无须插入零件,没有流体附加的阻力,不受流体介质的粘度、导电性及腐蚀性的影响,无论采用何种测量方法,均为线性输出特性,易于实现数字化输出及流量的积算.传统的超声波流量计主要缺点是精度较低(士1%),另外温度对声速影响较大,故一般不适于温度波动大、介质物理性质变化大的流体测量,也不适于小流速小管径的流量测量,因为这时将增加相对误差.
 
超声波流量计的测量方法
 
超声波流量计的主要测量方法有多普勒效应法和时差法·
 
2.1多普勒效应法
 
超声波多谱勒流量计使用两个换能器,一个传感器总是用来发射,另一个总是用来接收.探头紧贴流体管外发射的超声波可以穿透致密的管壁散播在流体介质中,当遇到介质中随波逐流的悬浮物、固体颗粒、汽泡,甚至非稳状态的漩涡、扰乱等,均会产生偏离发射频率的反射波,这种频率变化称为多普勒效应,它与反射物的运动流速成正比.另一探头接收到各点的反射波,经过复杂的信号处理、动态频谱分析和精度计算,就可得出管截面内流体的流速,如图1.由于采用了多普勒效应,被测流体管道中唯一可以改变反射波频率的只有流体中反射物的运动速率,所以测量装置及流量计基本不受管道材料、管径、流体成分和浓度变化、温度和压力的影响,可实现高度的稳定性和重复性.
 
2.2时差法
 
时差法流量计也利用两个传感器(或换能器),每个换能器都有发射和接收的功能,超声波声脉冲能量通过管壁和流体以一定的已知角度在两传感器间传播.超声波声脉冲在两换能器间的传播时间受流体流速的影响,从上游传感器发向下游传感器的声速度由于流体而加速,而由下游传感器发向上游传感器的声速度由于流体而受阻碍.上游和下游传播时间的净时间差与流速成正比,如图2.由于时差法测量系统没有内在的惯性,所以时差法流量计具有很高的灵敏度,可以测量非常低的流速和流量.
 
超声波流量测量的最新进展
 
3.2.1多普勒流量测量技术
 
1.采用双头传感器(各自具有独立的接收和发射头)提供了搜寻最大信号强度的能力并提高了信噪比.
 
2.采用频率调制解调技术提高了系统的灵敏度和对管子振动的免疫力.采用频谱跟踪和信号滤波还原等技术,大大提高了测量洁净液体时捕捉微小反射信号的能力,流量计可在几乎干净的液体中进行测量.
 
3.快速傅立叶频谱分析的应用,代替了旧的锁相环(PLL)装置,使多谱勒流量计有了明显的进步,在多普勒流量计工业中引起了一场革命.FFT频率分析和图形显示功能可对接收信号非相关流量的噪声进行滤波,可以避免管子的振动和电噪声的影响.图形显示功能和特性可以进行流量曲线的校正.
 
4.流量计采用计算机技术可为用户提供预先编程,快速安装以及适合多种应用场合和野外使用的服务.
 
3.2.2时差法流量测量技术
 
当今最先进的时差法流量计是高度通用、精确和可靠的仪器.技术的发展导致它们性能和可靠性都有很大提高,在今后几年里它将逐渐成为流量测量的主要方式.
 
1.采用宽带换能器技术使换能器透过管壁以最大的振幅、最低的失真入射超声波,可进行稳定和可靠的测量,甚至当液体性质改变时也不受影响.宽带换能器技术利用管壁的谐振,在液体中发生一个很宽的相位相关的超声波,当液体的物理性质发生巨大变化时,不会导致声波错过对面的换能器.
 
2.采用微处理机技术和多脉冲技术可不受流体汽泡和悬浮固体的影响,多脉冲技术可提供更高的数据密度(10~100倍的信号强度,每个发射脉冲组有100个脉冲),响应速度达到0.15,可以获取最低的数据离散性和最高的精度·
 
3.多脉冲技术和宽带换能器的应用使野外便携式流量计能应用到各种场合,使用者除了进行基本流量测量外,还可进行有漩涡的水泵流量测量.
 
4.流量计采用计算机技术具有能存贮不同应用场合的现场信息,预先编程,显示流量曲线等功能,在野外使用方便简单.
 
5.超声波传感器在声偶合方面的技术发展使得传感器的应用场合温度可到一80~235℃,允许可测的管子尺寸达到6.35mm~9m.
 
 
 

 

点击次数:  更新时间:2016-12-17 20:54:10  【打印此页】  【关闭