（已结帖）2011-05-18-工控擂台-试述如下图所示时差法超声波流量计的原理 点击：1795 | 回复：10
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上图是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速， 在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。图中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别 安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：
回复：
一、 超声波时差法测量液体流量的工作原理：
我们知道，超声波在液体或固体中，是以匀速传播的，见下图：AB二处均放一个发收二用的超声波探头，如液体是静止不定时，由A探头发射超声波，B探头接受，传播时间t1与由B探头发射超声波，A探头接受，传播时间t2应该相等。设：超声波在液体传播速度为 V，储波时间为t，AB距离为 L ，则AB距离 L = V • t 。
如果液体是流动的，则t1与t2就不等，即产生时间差，如能推导出时间差与液体流速的关系式，就可计算出液体的流量。请见以下分析：
在直径为D的管子中，A B二处距离为 L，AB连线与管子中心线夹角为φ，用超声波时差法可求出液体在管内的流速，见下图：
二、液体流量的检测与计算处理：
1、液体流量的检测－－- 用电子线路可实现“检测时差”：用发射电路先对探头A发出一个窄的超声脉冲，记下时间，用探头B接受此脉冲，记下接受时间，即可求出超声波由A传到B的时间t1，同理再用B发A收又可求出超声波由B传到A的时间t2。其t1 - t2 = △t
2、已知：L、V 及 求出的△t，利用流速推导公式（1），用单片机或PLC，可求液体流速u、液体瞬时流量q及累计流量Q：
三、液体流量计的构成：
超声波流量计的检测原理么，偶厂安装这个分体式的流量计时，偶的领导让厂家的技术人员给偶们上了一节课，算是一个技术培训吧。其技术人员在讲到原理时打了一个比喻：就是一个人在一条河里划船。如果河水是静止的，那么这个人如果把船头冲直对岸的话会用其滑到对岸时的点B与出发点A和河道是垂直的，所用的时间是C，假如河水流动，这个人在重复刚才的划船动作，速度何其一样。到达对岸其终点站D应该在B的下游侧，这个需要的时间E>C，如果我们从D出发在返回到A点，所用的时间F>C如果这个人的速度已知，河道宽带已知，我们就可以知道这个河水的流速。
这个超声波流量计检测介质速度与这个划船是一样的道理。其也是通过这个已知速度的超声波在管道中传播的速度来检测这个介质的流速。只不过这个超声波是两个探头，分别是上流传感器、下游传感器，这两个传感器分别发射超神波，通过对方的传感器接收然后计算出时间差，在根据超声波内部计算得出介质的流速，从而换算成流量。
超声波流量计的上下游探头有两种安装方法，一个就是楼主图形中的Z型安装，还有一种是V型安装，其V型安装由于超声波在发射后通过介质管道反射后最后在被另一传感器所接收，所以超声波信号受到衰减不如Z型超声波信号强，因此厂家建议使用Z型安装。
现在的超声波发射、接收、检测、处理、换算计算都比较成功，因此从原理上实现介质测量没有问题。那么运行中还会经常出现故障，原因很多，最主要的也是最难得就是这个上下游探头的直线距离的确定。这个距离的确定虽然能够通过超声波转换器内部换算得到一个很精确的数字。可是前提是要确定这个安装管道的内径、外径，即这个管的厚度是多少。
一个管线虽然都有规格系列产品，其外径都很好确定，既是不知也可由用卷尺精确的测量出来。难点就是这个内径的确定，因为介质在管道中流动其势必腐蚀管道，造成管道变薄、结垢、锈蚀等现象，如果我们无法确定安装的管道内径的准确数值，按照管道系列标注来确定内径，那么势必造成误差，这个一旦上下游传感器安装，其误差无法消除。而我们在安装超声波流量计上下游传感器时很多时候都是带压安装，即装置不能停车，管道中有介质流动，所以我们根本无法通过标尺来准确的检测内径的数值，这就是超声波流量计产生误差的主要原因。
超声波流量计的两个探头，分为上下游探头，两个探头的安装不能颠倒，否则检测的流量显示负值。超声波流量计探头安装的另一个难点就是探头插入深度的确定，这个也是要准确的确定内径的大小（管壁的厚度），否则也会影响到流量检测的精度。
超声波流量计的另一个易出现故障的原因就是内部探头的脏污程度，特别是下游探头，即安装在管道下方的探头由于探头声楔面与介质流向相对，介质碰撞楔面，其上班易结垢锈蚀，甚至被介质中的杂质碰撞。所以下游传感器需要定期清洗，这个可以在线抽出清洗，安装时只要确定好插入深度位置（这个预先在传感器探头外部做好标记即可）并且让声楔面和上游传感器正对即可（在探头外部部分末端设有一个标记点其表示声楔面的方向）。
由于超声波探头内部声楔面上的密封材料的限制，其不适应高温高压介质的检测，对于传感器探头浸水高度也有限制，就是保证密封可靠，普通的传感器探头的最高温度应该是50度（高温型可能是150度，偶没用过），压力不超过1.6MPa，浸水高度不超过3m。
超声波流量计有三种类型，一种是分体式，传感器和转换器不再一起，通过信号电缆相连，传感器通过焊接底座或者固定的方式插入管道内部检测，主要用在大管道的流量检测中，如循环水系统。一种是一体式，及传感器和转换器安装在一起，通过表体相连，上下游传感器已经安装好，不用在确定其距离和安装，主要用在小管径的流量检测中，如自来水、新鲜水的流量检测计量，还有一种是外夹式用在非金属管道或者不能焊接的地方，其精度不如插入式准确。
超声波用于气体和流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。经常有读者回询问有关超声波流量测量方面的问题。作为普及，我们将陆续撰写一些专题文章，来介绍一些相关知识，以便推广和普及超声波流量技术的普及和提高。本文主要介绍目前最为常用的测量方法：时差法超声波流量计的原理和设计。
时差法超声波流量计的原理
时差法超声波流量计（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如图1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为tu,逆流速度为td,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：
其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：
式中X是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：
上式可简化为：
也就是流体的流速为：
由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
流量Q可以表示为：
时差法超声波流量计的设计
时间测量单元和控制器。他们共同来完成超声波的发射、接受和时间差的测量等工作。其他的外围单元主要是为了测量仪表的参数设定、测量数据的输出、显示和传送等功能，可参考相关资料，这里不作介绍。
时差法超声波流量计的换能器安装方式可以有多种。常见的有外加式和管段式，也有介入式，比如家用煤气表一般可采用介入式。无论何种安装方式其原理大同小异。比如介入式就是取上面公式中的θ=0。
超声波波用于流体的测量还有其他几种基于不同原理的测量方法：多卜勒频移法、相位差法和相关法等等，各有优缺点，可根据不同的使用条件和计量精度等因素加以选取。
随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及以及产品成本的降低和可靠性的提高，我们相信，超声波流量仪表将成为流体计量中最为普遍采用的手段。
以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质．流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。
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