基于超声检测的动态流量测试技术研究

    0 引言

    超声波在流体中传播时，可以加载上流体中的一些信息，其中最主要的也是人们最关心的就是流动速度^[1]。众所周知，由于紊流的机理目前还不是十分的清楚，大多停留在半经验公式的水平，还没有很有效的动态流量测量方法。

    与其他流量计相比，超声波流量计是无插入件式的间接测量结构，这样就不会对流体的流动速度产生直接的影响。而且由于它的声波频率为1000HZ以上，比流速脉动频率大得多，所以对其进行频率分析也很有效。由于其无插入件式结构形式，且反应迅速，可用于动态流量的测量，被专家们称为21世纪的绿色环保流量计^[2]，有很大的发展潜力。

    按信号检测方法，超声波流量计可分为传播速度差法、多普勒法、相关法、波束偏移法、旋涡法等，其中前三种较为常用。一般地说，超声波流量计测量的是体积流量值，大多由超声波换能器、电子线路及流量显示和积算系统三部分组成。

    1 基于超声检测的动态流量测量

    1.1 传播速度差法

    该类流量计可细分为时差法、相差法、频差法。

    （1）时差法

    超声波在流体中传播时，由于流动的流体和静止的流体平均流速间的差异，造成超声波的传播速度发生变化。

    如图1所示，超声波顺、逆向传播时，其传播时间为

    （2）相位差法

    相位差法是利用时差法中的超声波的相位差与时间差的关系ΔΦ=2πfΔt （4）

    通过测量顺、逆两个方向接收波的相位差ΔΦ来实现平均流速v的测量。上式中，f为超声波的发射频率。

    （3）频差法

    在时差法里速度的确定要受到声速C的影响，C又受温度等外界环境的影响，存在一定的误差，所以需对其进行改进，通过频率差进行测量。其顺、逆流的发射一接收频率分别为

    f₁=（C+vcosθ）/L     （5）
    f₂=（C-vcosθ/L）     （6）
    其差值为Δf=2vcosθ/L （7）

    即 （8）

    由此，可通过测量多普勒频差得到平均流速v。

    1.2 多普勒法

    多普勒超声波流量计是利用声波的多普勒效应进行测量的，当发生器和接收器之间有相对运动时，接收器所接收的声波频率与发射器所发出的声波频率之差与两者之间的相对速度成正比。多普勒法适合有悬浮颗粒的脏污介质的流量测量，它利用悬浮颗粒对发射波的漫反射，使其频率发生偏移，偏移频率Δf与平均流速成正比。

    Δf=f₂-f₁=2vf₁cosθ/C     （9）

    所以可通过测量Δf得到流速

    其中，C是声波在流体中的传播速度，r是散射粒子的平均运动速度，θ是声波传播方向与流动速度之间的夹角，其测量原理如图2所示在一些特殊情况下，还有两次折射、三次折射法^[3]。

    1.3 互相关法

    利用随机函数的互相关理论在工业生产过程中测量物体的移动速度，是在上世纪60年代初开始的。随后， 英国、美国、德国等国家开展了管道内流体流动速度的相关测量研究，在70年代，相关流量测量技术迅速发展。80年代中后期，对这方面的研究又转到随机信号相关理论、流场变化对传感器的作用、流动噪声信号的提取与处理、传感器的设计等方面^[4]。

    当流体在管道内流动时，其内部存在着各种各样的随机扰动，从而产生了与流动状况有关的流动噪声信号，并具有一定的统计特性。当超声波在流体中传播时，流动噪声信号对超声波会产生幅值、相位和频率的调制^[5]。因而，穿越管道后得到的超声波信号中加载了流动噪声的信号，也就携带了流速的信息。

    在超声波互相关流量计中，关键的问题是提取噪声信号和互相关函数的确定。因为噪声信号里包含了流速的信息，所以对它的提取就显得非常重要，但是哪个噪声信号能更准确地反映流速的变化，这是人们普遍关注的。目前应用比较广泛的是用对温度变化敏感的热丝测量上下游温度噪声^[6]，利用压力传感器测量上下游的压力脉动，用传感器测量流体中电导的变化（即示踪物浓度的变化）^[7]，以及直接利用两组超声波收发装置来提取两个相关波形进行处理等方法。测量原理如图3所示，图中互相关函数为

    对提取的信号进行加工处理的目的是得到渡越时间τ0利用公式

    v=L/τ₀     （12）

    得到平均流速v。

    1.4 波束偏移法

    超声波在流体中传播时，波束会随流动方向发生偏移。当超声波束与管道垂直时，这一偏移更加明显。所以利用波束偏移法时，一般超声波束都是垂直发射，超声波束的偏移是以接收换能器所接受的波束强度的差值变化来反映的。测量原理如图4所示，有如下关系

    tgθ=v/C       （13）

    1.5 旋涡法

    如图5所示，换能器A发射一束连续等幅的超声波，穿过流体到达接收换能器B，由于流体的运动使信号发生改变。在流体静止时，流体中无旋涡，B收到的仍是等幅的超声波；当流体运动时产生的旋涡运动速度几乎与流体运动速度相等，超声波穿越流体时。波束被旋涡折射、反射，使B收到的信号被调制，根据调制后信号的频率，可以知道流体的流动速度。

    1.6 瞬态流量Q的确定

    瞬态体积流量与平均流速间有如下关系Q=Av_平     （14）

    其中，A为流道截面积，v_平是截面平均速度。

    以上的各种测量方法中测得的v是直径平均流速，根据大量实验获得的经验，v_平与v之间一般成线性关系v_平=Kv   （15）

    转换系数K需要用标准流量计在同工况下实测进行标定来确定。

    2 超声波流量计的优点

    超声波流量计以其独特的优点在工程实践中得到广泛的应用。其中速度差法原理简单但误差较大；多普勒法适合有悬浮颗粒的流体测量；比较准确有效的互相关法中，信号的选取比较关键，换能器的灵敏度也直接影响测量结果；波束传播法受流体的速度影响较大；旋涡法属于插入法，会引入一定的误差^[8]。

    概括起来，超声波流量计有以下优点：

    （1）应用领域广。解决了大管径、大流量、明渠、暗渠等测量困难的问题。安装方便，性价比高。
    （2）对介质几乎没有什么特殊的要求可以测量液体、气体，甚至是两相流或多相流介质的流量。
    （3）非接触式测量不破坏初始的流动状态，不引入误差，无压损，可测量腐蚀性、放射性介质，对于食品、医学用等高要求流体的测量也很有效。
    （4）超声波流量计的测量准确度几乎不受被测流体的温度、压力、浓度等参数的影响。
    （5）超声波流量计的测量范围宽，可测最大和最小流量之比一般可达20:1。

    3 结论及展望

    （l）超声波流量计今后应该朝着小型化、轻便易携带、低价格、响应快、适用范围广的方向发展随着相关基础理论研究的不断深入，以及传感器精度、计算机运算速度的提高，为超声波流量计的发展完善提供了理论和硬件的保证。
    （2）动态流量测量，尤其是紊流状态下的测量，是工程中的一大难题。因为超声波流量计属非接触测量，具有惯性小、频带宽、测量范围广、误差小等特点，可以较好地解决这一问题。
    （3）基于超声检测的软测量虚拟流量计是动态流量测量的主要发展方向，软测量利用计算机软件，用容易测得的几种辅助变更，来估计不可测量的主要变量，虚拟流量计是通过应用程序把计算机与功能化模块硬件结合起来，用户可以根据自己的需要定义、设计的新型流量计。基于NI公司的Labview平台的虚拟软测量流量计具有很大的发展潜力。

    参考文献