時差法超聲波流量計原理及應用

超聲波流量計主要用于液體的體積流量測量，在冶金、化工、食品加工、標準計量等領域有著廣泛的應用。超聲波流量計已有幾十年的歷史，在原理上主要利用多普勒效應法和時差法。多普勒效應法需要流體中含有反射物質，主要應用于兩相流體的檢測，此處主要探討時差法檢測。

1.
時差法原理：

超聲波有兩個重要的特性：定向性，它頻率高且短，可以象光波一樣沿直線傳播；可以在氣體、液體、固體中傳播。所以大部分流體介質都能用超聲波原理檢測。它的測量方法可簡單比喻為在河流上渡船擺渡的過程，順流擺渡渡船到達對岸所需的時間要比逆流的少。河流的流速越大，順流的速度越快，而逆流所需的時間越長。順流和逆流所需時間的時間差直接與河流的流速有關。在超聲波流量計中超聲波好比渡船，河流流速等于流體的流速。電聲變換器發送和接受的短促聲脈沖信號穿過管道中流動的介質。兩個變換器分別安裝在縱向有偏移的測量管道兩側。這時超聲波順流和逆流傳播的時間差與流體的流速成正比。

1.1基本原理

在直型管道中由發送器（S）以與流動方向成銳角的方式發射穿過流動氣體或液體的超聲波，并用一個接收器（E）接收信號。

在靜態液體中，從發送器到接收器超聲波運動的速度為c，液體流動的速度為υ，在觀察點O處流動速度υ在超聲波運動方向上的速度分量是Vα，在流動液體中與此相應的超聲波速度為：

c1=c+Vα=c+cosα

如果把發送器和接收器互換，那么速度分量的方向與超聲波運動方向相反，超聲波的速度為：

c2=c-Vα=c-cosα

當測量距離l已知時，由在測量距離l上的流體平均速度來確定測量時間t1。該時間是順流時超聲波運行距離l所需的時間。但是超聲波速度與液體的溫度有關，為了補償溫度對測量結果的影響，必須在順流和逆流兩個方向上同時發射超聲波，以便同時考慮加以計算。這樣，用超聲波信號前邊緣檢測的時間t1和t2為：
由此導出流體V平均流速為：
在測量路徑長度L、傾角α以及管道幾何尺寸不變的前提條件下，能通過測量2個計時時間t1和t2計算管道的平均速度和靜態聲速。

兩脈沖運行的時間差為：
式中，D為管道的直徑。

時間差與沿測量管道方向的平均流速精確地呈線性關系（超聲波聲道）。但時間差的量值很小，所以時間信號檢測非常重要。

1.2
時間信號的檢測方法

在時間檢測過程中，控制發送的壓電脈沖和處理接收信號的測量變送器必須保證有很高的時間分辨率。檢測方法經歷了過零點檢測、相關測量分析以及抗干擾能力和測量精度有很大改善的復雜數字信號處理等階段。

1.3
發送器和接收器的原理

超聲波發送器的種類很多，大致可分為機械和電聲兩大類。在超聲波流量計中通常使用電聲型發送器。

電聲型超聲波發送器把電磁能量轉換為機械波的能量。這種能量轉換通過電聲換能器完成。電聲轉換器的作用是將高頻電源的電磁振蕩能量轉換為機械振動能量發出超聲波。最常用的為壓電式，壓電式換能器使用逆壓電效應產生超聲波，從幾十千赫到幾十兆赫，非常適合工業使用。
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