超聲波流量計的工業(yè)測量理論細(xì)分

波動的定義指的是振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播，可以將波動簡稱為波，波的頻率單位是赫茲Hz。波的頻率在20Hz至20kHz之間的可以被人耳朵聽到的機(jī)械波被稱作聲波。十九世紀(jì)的德歐內(nèi)斯特·克拉尼被譽(yù)為聲學(xué)之父，他通過試驗驗證了人類耳朵      聽到大約20kHz頻率的聲波，所以頻率大于20kHz的超過了人類的聽力范圍上限值的機(jī)械波被稱為超聲波。
　　一、超聲波的性質(zhì)概述
　　超聲波在媒介中的傳播規(guī)律以及超聲波的性質(zhì)和聲波的基本是一樣的，但是超聲波有兩個重要的特性。一個是它的定向性。一般波長較長的聲波是可以繞過障礙物體的，而超聲波的頻率本身就是比較高的，因此其波長較短且一般比障礙物體的尺寸要小很多，所以超聲波在均勻的媒介中基本上是沿直線在傳播，而不是像聲波一樣可以繞開障礙物體傳播，利用超聲波的這一特性可以實現(xiàn)定向發(fā)射。   個特性是超聲波有較高的能量。由于超聲波在媒介中傳播時，介質(zhì)質(zhì)點的振動頻率是很高的，由振幅相同時振動的能量和頻率成正比的原理可知超聲波的能量非常大，這也是超聲波穿透的原因，其在大密度介質(zhì)中傳播距離   遠(yuǎn)，超聲波在不同媒介分界面處可發(fā)生透射、反射和折射的現(xiàn)象。在測量液體時，為了使超聲波在傳播過程中減少阻尼，通常將超聲波對液體介質(zhì)測量采用1MHz頻率，對氣體的測量采用100kHz頻率。
　　可以產(chǎn)生超聲波的裝置有：機(jī)械類型的超聲波發(fā)生器如汽笛等機(jī)械發(fā)聲裝置、利用電磁的原理制作而成的電類的超聲波發(fā)生器、利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)制成的壓電傳感器等等。
　　二、超聲波流量計的分類
　　由于超聲波在流體中傳播可以產(chǎn)生頻率差以及傳播時間差或者信號的相位差，這些信息都與流體的流速信息相關(guān)，所以利用電路測量出超聲波在流體中傳播時的頻率差或者傳播時間差等信息即可根據(jù)理論公式推導(dǎo)出流體的流速，并根據(jù)流速信息計算出相應(yīng)地瞬時流量以及累計的流量等信息。根據(jù)不同測量原理可將超聲流量計主要分為以下這幾種：
　　(1)時間差法流量計：超聲波在流體中同樣距離同一聲道上順向和逆向傳播會產(chǎn)生   的時間差，這個時間差與被測流體的流速之間是線性關(guān)系。時間差法流量計就是通過電路方法檢測該時間差來測量出流速，并通過測得的流速和管徑等信息計算出流量。本設(shè)計就是利用了該方法來進(jìn)行流速測量，這種方法沒有壓力損耗，也適合用來測試大口徑或具有腐蝕性的流體流速。
　　(2)相位差法流量計：相位差法與時間差法的測量原理是類似的，不同之處在于相位差法利用的是超聲波信號在流體中同樣距離同一聲道上順向和逆向傳播產(chǎn)生的信號的相位差來測量流體流速。
　　(3)多普勒流量計：多普勒效應(yīng)的定義指的是觀察者接收到的波源的頻率會隨著觀察者朝向波源的移動而變高，隨著遠(yuǎn)離波源的移動接收到的頻率會隨著變低。被測流體中若含有懸浮顆粒物，則懸浮顆粒物相當(dāng)于觀察者，超聲換能器產(chǎn)生波源，隨著懸浮顆粒物的移動，超聲換能器接收到的聲波的頻率也隨之高低變化，發(fā)射和接收到的超聲波頻率間存在差值且該差值和被測的含懸浮顆粒物的流體流速間為線性關(guān)系。多普勒流量計就是利用這一原理測得懸浮顆粒物的速度，從而被測流體的流速。采用多普勒法需要流體中攜帶有尺寸足夠的懸浮顆粒，由于流體中的懸浮顆粒物往往性能不太穩(wěn)定且其速度與流體流速有   偏差，所以這種方法應(yīng)用起來也受到許多條件限制。