超声波多普勒流量计的设计原理

    引言
    流量计在工业上，如石油、化工、水电等部门的用途十分广泛，是对液体流量检测必不可少的设备。传统流体流量计按工作方式主要有机械式、电阻式、电磁式、涡流式等类型。这些流量计一般精度较低，测量范围较小，特别在一些不能将探头置入测液体的特殊场合，根本无法使用。
    超声波流量计作为一种新型的非接触式流量计，不仅安装方便，测试操作简单，维修便捷，而且由于是非接触测量，不会象传统流量计那样影响被测流体流速。采用多普勒法的超声波流量计，不仅可以进行两相流的测量，而且分辨率高，对流速变化响应快，对流体的压力、粘度和温度等因素不敏感[1]，但由于精度较低，其应用受到很大影响。若采用DSP处理器作为超声波多普勒流量计的核心测量控制器，辅以数字信号处理技术，可使超声波多普勒流量计的测量精度得到大幅度的提高。
    超声波多普勒流量计的设计原理
    超声波多普勒流量计的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率，这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。
    分别将超声波的探头放置在待测流体管道的两侧，一个发射连续的超声波信号，另外一个接收。当流体中存在悬浮粒子时，接收的超声波信号由于多普勒效应，其频率与发射的超声波信号会存在一个频率差，根据此频率差即可计算出流体的流速[2]。
  
    如图一所示，当超声波束在管轴线上遇到一颗固体粒子，该粒子以速度u沿管轴线运动。对超声波发射器而言，该粒子以速度u cos α离去，所以粒子收到的超声波频率f2为：
     
     式中：f1 ——发射超声波的频率；
      α——超声波束与管轴线夹角；
      c ——流体中声速。

    固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以u cosα的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f3为：      

    将f2的表达式代入上式可得： 

    接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之间的频率差，即多普勒频移Δ f为：

    由于超声波的速度远大于流体流速，所以上式可写成

    由上式可得流体流速为：   

    体积流量为：

    ，其中A 为被测管道流通截面积。

    由以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流量成正比，测量频移Δ f 就可以得到流体流量qv。