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多普勒超声流量计知识介绍
多普勒超声流量计知识介绍
多普勒超声流量计进行流量测量所依据的原理是物理学中声波的多普勒效应。多普勒效应可表述为:声源和观察者之间有相对运动时,观察者所感受到的音频不同于声源发出声波时的音频。声源和观察者因相对运动而发生的变化一一多普勒频移,正比于两者之间的相对速度。
多普勒超声流量计适用于测量两相流的情况,另一方面,它也只适用于被测流体中有足够的具有反射声波本领的颗粒的场合。
多普勒超声流量计既有一般超声流量计所具有优点,传感器可安装管外,无流动压损,不破坏流场,安装、维护时不影响生产过程等,而且在测量中响应灵敏、分辨率高,不易受被测流体的状态参数和物性参数等因素的影响,没有零点的漂移。但它的测量准确度易于受流体中的颗粒的浓度、颗粒的大小、流动状态等因素的影响,因而,在投入使用安装前予先进行准确的调校比较困难,对于有一定准确度的测量,需要进行现场校准。在校准后,如测量的条件不变,它的重复性还是相当好的,可达1%。准确度则在2%-5%之间,甚至更差。
9.3.1测量原理
由前述的多普勒效应可知,当发射出的超声波射入流动中的流体,并被随流体一起运动的颗粒所反射而到达接收换能器时,接收到的声波与发射的声波之间的频率差,正比于流体中颗粒的运动速度,即流体的运动速度,因而只要将平均流速与流通截面积相乘即可得体积流量。
从原理上讲,随流体一起运动的许多颗粒都会引起多普勒频移,所以多普勒超声流量的测量原理可分为二步叙述。
1.由单个颗粒引起多普勒频移
若被测的流体中只存在单个的颗粒反射声波,颗粒以与流体相同的速度U运动,令发射换能器为T,接收换能器为R,静止流体中的声速为c,发射频率为f1,则由于颗粒的漫反射而进入接收换能器的超声频率f2可表述为
式中,θ1、θ2分别是声波发射方向、反射方向与流体流动方向的夹角。
当c>>u时,
在θ1=θ2 =θ的情况下,
即多普勒频移Δf为
此式反映了多普勒频移与流速U成正比。
2.多个颗粒的情况
在许多小颗粒与流体一起运动的情况下,如图9-18所示,超声波接收换能器R所接收的是从照射域(发射换能器与接收换能器的有效指向角的交叉区域)内的颗粒产生的散射波的合成。当照射域中流体内颗粒的分布均匀、颗粒沿轴向运动等条件符合时,照射域的平均流速u可以表示为
式中 K为比例常数,ω=2πΔf,Δf为各个颗粒具有的多普勒频移,S(ω)是照射域内的所有颗粒所形成的功率谱线密度。只要求得S(ω)就可以求出平均流速。
对于照射域内具有许多颗粒的反映情况,另外还有一种较为简单的表述方法,那就是采用下式所表示的平均多普勒频移
式中 Ni,(Δfi)为照射域中产生多普勒频移Δfi的粒子数;Δfi为照射域内任一颗粒产生的多普勒频移。
这同样也表达了,在照射域内颗粒产生的散射波的合成应是接收换能器所接收的信号反射。在这种情况下,当流通截面积为A时,从式(9-15)可知,流量可表示为
由于C是流体中的声速,易受温度的影响,所以,实际上在引入声楔后,令声束在声楔中速度为C1,如图9-19,根据折射定律
得到
若是照射域处于管道内部的某一空间位置时,当雷诺数Re或管道条件改变时,平均流速的区域位置也将有所变化,流体中颗粒的速度也随之变化,作为反射结果的多普勒频移就不可能正确地表达出平均流速。因此在流量计算公式中需引人流速修正系数K,式(9-20)可由下式替换
9.3.2多普勒超声流量计结构形式及测量方式
多普勒超声流量计主要由两部分组成:一部分为换能器;信号处理、检测及显示构成了另一部分。
1.换能器
在利用多普勒效应进行流量测量时,换能器的结构形式和材质性能是很重要的,换能器直接影响流量计测量的准确度,它的组成有晶片(超声波振子)、声楔等。
换能器的形式主要有两种,如图9-18所示的方式通常可以做成带测量管式的流量计。而图9-20所示的为收发一体结构的超声换能器。对于前者,接收换能器与发射换能器应保证其对称性,这样能够使照射域处于管道的中心部位,易于准确测量中心区域的流速而获得修正。由于测量管与声楔、晶片的相对位置稳定,流量计只要直接安装即可。后者的接收换能器与发射换能器的相对位置也是固定的,但是为了保证超声波的照射域处于管道内部(甚至尽量处于中间部位)以获得准确的测量,必须对这种收发一体的换能器的使用范围有所了解。
2.信号测量方法
应用多普勒效应进行流速测量已有了连续波、脉冲波、M系列调制波等方法,但基本上都处于研究阶段,尚未在计量领域广泛地得到应用,而现在实际应用的仅是连续波法的零交叉方式。所谓零交叉法就是把不规则信号的振幅为零的频率,在一定时间间隔内进行计数,并讨论该信号的统计性质,如平均频率。如图9-21中,多普勒信号波型就是一连续提型,零交叉法就是对振幅为零的交叉点个数在一运时间内进行统计。
多普勒超声流量计的流量计的信号检测的方式主要有通过混频或直接耦合获得多普勒频移这样两种方法。
(1)混频方式
图9-21给出了一种采用了混频方式进行测量的流量计测量过程。具有2MHz的石英振荡器的振荡部分所产生的连续波在电信号发射部分进行电放大,由发射换能器发射连续超声波至流体;而在接收换能器中收到的信号是与粒子速度成正比的产生多普勒频移的散射波与一部分直接收到的原发射频率,把接收信号放大,再把它与从本振部分来的连续混频再检,当用滤波器取出低频成分时,就得到了多普勒频移。但这个多普勒频移的零交叉频率与照射域的平均流速没有成正比,所以只有在照射域有限小时,才有测量的意义,即测量管中心轴上的流速,因而在利用这种方法测量时应该对管内的流速分布进行修正。
(2)直接耦合方式
不采用了混频器,而利用直接耦合方式进行拍频同样可以获取多普勒频移信号,图9-22所示为直耦方式检测的线路原理。在所谓收发一体结构的换能器中,发射信号f1一部分到流体中传播,一部分直接耦合到接收晶片,而接收换能器中的直耦信号与颗粒反射信号都是小振幅波,满足线性叠加原理,因此接收换能器上总声压是直耦信号、颗粒反射信号的声压之和,总声压的振幅是多普勒角频率的函数。由于对收发一体结构的换能器,直耦信号一般均大于反射信号,拍频信号很弱,需要进行必要的选频放大。在放大反射信号的同时,为了保证一定的信噪比。应使直耦信号具有合适的大小匹配,而这是换能器的制造工艺所决定的。