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時(shí)差式超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)形式
關(guān)鍵字：超聲波流量計(jì) 日期：2012-12-20 9:20:07
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超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)形式
1．構(gòu)成
流量計(jì)主要由流量計(jì)表體、超聲波換能器及其安裝部件和信號(hào)處理單元組成。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)插入式和外夾式流量計(jì)，安裝換能器處的管道可做表體使用。插入式流量計(jì)的換能器直接與被測(cè)流體接觸，外夾式流量計(jì)的換能器緊密安裝在管道壁外。
2．形式
流量計(jì)按換能器安裝方式可分為插入式和外夾式兩種形式。插入式流量計(jì)根據(jù)換能器的數(shù)量不同，分為單聲道流量計(jì)，雙聲道流量計(jì)和多聲道流量計(jì)。
流量計(jì)的輸出方式有脈沖輸出、模擬量輸出和數(shù)字通訊輸出等。超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算，這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。
超聲波流量計(jì)常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適當(dāng)?shù)陌l(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射人流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔埽员銠z測(cè)。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲波流量計(jì)換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動(dòng)。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動(dòng)的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件固定入聲道中，構(gòu)成換能器整體（又稱探頭）。
超聲波流量計(jì)的電子線路包括發(fā)射、接收、信號(hào)處理和顯示電路。測(cè)得的瞬時(shí)流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。
根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，目前超聲波流量計(jì)大致可分傳播速度差法（包括：直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法、頻差法）波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類型。其中以噪聲法原理及結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，便于測(cè)量和攜帶，價(jià)格便宜但準(zhǔn)確度較低，適于在流量測(cè)是通過測(cè)量超聲波脈沖順流和逆流傳播時(shí)速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差法又分為：Z法（透過法）、V法（反射法）、X法（交叉法）等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來反映流體流速的，低流速時(shí)，靈敏度很低適用性不大。多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測(cè)量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測(cè)量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流量，原理上，此法的測(cè)量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無關(guān)，因而與流體溫度、濃度等無關(guān)，因而測(cè)量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器件價(jià)格貴，線路比較復(fù)雜。噪聲法（聽音法）是利用管道內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過檢測(cè)噪聲表示流速或流量值。其方法簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格便宜，但準(zhǔn)確度低。
以上幾種方法各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體性質(zhì)。流速分布情況、管路安裝地點(diǎn)以及對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求等因素進(jìn)行選擇。一般說來由于工業(yè)生產(chǎn)中介質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時(shí)差法。只有在管徑很大時(shí)才采用直接時(shí)差法。對(duì)換能器安裝方法的選擇原則一般是：當(dāng)流體沿管軸平行流動(dòng)時(shí)，選用Z法；當(dāng)流動(dòng)方向與管軸不平行或管路安裝地點(diǎn)使換能器安裝間隔受到限制時(shí)，采用V法或X法。當(dāng)流場(chǎng)分布不均勻而表前直管段又較短時(shí)，也可采用多聲道（例如雙聲道或四聲道）來克服流速擾動(dòng)帶來的流量測(cè)量誤差。多普勒法適于測(cè)量?jī)上嗔?，可避免常?guī)儀表由懸浮粒或氣泡造成的堵塞、磨損、附著而不能運(yùn)行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開展，煤油混合(COM)、煤水混合(CWM)燃料的輸送和應(yīng)用以及燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量計(jì)應(yīng)用開辟?gòu)V闊前景。
（三）計(jì)量性能要求
表2 -10為推薦的準(zhǔn)確度等級(jí)系列，如采用非表中所列準(zhǔn)確度等級(jí)，需在流量計(jì)產(chǎn)品說明書中及流量計(jì)銘牌上明示。流量計(jì)在q1≤q；的流量范圍內(nèi)，其最大允許誤差應(yīng)符合表10的規(guī)定，在q。i。≤q<吼的流量范圍內(nèi)，最大允許誤差不超過表中規(guī)定的最大允許誤差的2倍。并且，對(duì)氣體流量計(jì)，qf對(duì)應(yīng)的流速應(yīng)不大于3m/s；對(duì)液體流量計(jì)，qt對(duì)應(yīng)的流速應(yīng)不大于0. 3m／s。表2 -10準(zhǔn)確度等級(jí)
(1)流量計(jì)系數(shù)調(diào)整
連續(xù)兩次檢定之間流量計(jì)系數(shù)的調(diào)整量應(yīng)不超過準(zhǔn)確度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的最大允許誤差的2倍。如超過，可降低該流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)直至滿足要求，或按檢定不合格處理。
(2)重復(fù)性
流量計(jì)的重復(fù)性不得超過相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)規(guī)定的最大允許誤差絕對(duì)值的1/3。
(3)雙向測(cè)量的流量計(jì)兩個(gè)測(cè)量方向應(yīng)分別進(jìn)行檢定。
(4)外夾式流量計(jì)應(yīng)對(duì)每對(duì)探頭分別檢定，并盡量在與使用管徑相同的管徑下進(jìn)行檢定。如使用管徑與檢定管徑之比大于2或小于1／2，使用時(shí)流量計(jì)應(yīng)增加一個(gè)0. 5%的附加
誤差。
（四）用途
時(shí)間差法流量計(jì)用于單相液體或氣體的流量測(cè)量，多普勒流量計(jì)主要用于污水流量測(cè)量
（五）換能器信號(hào)傳播與接收
在超聲流量計(jì)中通常采用壓電陶瓷材料做為換能器，它具有高聲阻，而氣體的聲阻是低的，因此對(duì)于陶瓷換能器向氣體輸送能量阻撓匹配是很困難的，至少工作過程是低效率的。接收信號(hào)的特性還與聲束傳播順流或逆流有關(guān)，各類流量計(jì)解決此問題采取不同的方案。傳統(tǒng)的方法是應(yīng)用很低密度材料覆蓋于壓電陶瓷材料換能器的表面，以達(dá)到不同阻撓的匹配。此覆蓋層應(yīng)穩(wěn)定，應(yīng)用此技術(shù)除耦合外還可以改善結(jié)構(gòu)問題。為了降低換能器的振響，可附加一個(gè)吸收襯墊，通常此類換能器的頻率范圍為140kHz到180kHz。聚氟乙烯(PVDF)膜具有低聲阻特性，它在伸張和支撐時(shí)有壓電性質(zhì)，可以做為發(fā)射器，亦可做為接收器的可逆工作方式。其缺點(diǎn)是對(duì)溫度敏感．因此其電子線路的增益需要隨時(shí)改變以適應(yīng)它。換能器的一個(gè)工作難題是換能器需面臨灰塵，在所有網(wǎng)狀系統(tǒng)中皆有一些灰塵，但在陳舊系統(tǒng)可能存在所謂塵暴?；覊m主要由氧化鐵和二氧化硅組成，當(dāng)速度分布變化或其他擾動(dòng)時(shí)氣流就積聚它，它對(duì)換能器的機(jī)械磨損以及喪失線性特性等方面有很大關(guān)系。
對(duì)于流量計(jì)低流量時(shí)的準(zhǔn)確度，換能器的線性度很重要，非線性特性甚至在無流量時(shí)可能引起兩方向的計(jì)時(shí)差別，結(jié)果實(shí)際上無流量卻出現(xiàn)流量顯示，因此換能器需要良好的線性度。灰塵附著于線性換能器的表面，可能使換能器具有不同的振幅而產(chǎn)生非線性。
常用安裝方法：
(1)平行雙聲道Z法（即一側(cè)換能器斜方向發(fā)射聲波到對(duì)面一側(cè)換能器接收）
(2)雙聲V法反射，其特點(diǎn)是發(fā)射換能器發(fā)射聲束散射至對(duì)面一側(cè)換能器接收，布置于弦位置上。
(3)單聲道V法（即發(fā)射聲波經(jīng)對(duì)面管壁反射到同側(cè)另一換能器接收）傳播方式。
(4)四聲道組合傳播聲波，兩個(gè)聲道是V法反射布置，為流量測(cè)量的基本信號(hào)；另兩個(gè)聲道之一的聲束是按直徑途徑傳播，之二的聲束是按；角形反射途徑傳播，作為流速分布修正的輔助信號(hào) |
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