超聲波流量計原理

超聲波流量計原理
超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束(或超聲脈沖)的作用以測量流量的儀表。
根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法(直接時差法、時差法、相位差法和頻差法)、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。
超聲流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優(yōu)點，它是發(fā)展迅速的一類流量計之一。

超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關法等不同類型的超聲波流量計。超聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術迅速發(fā)展才開始應用的一種
非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯(lián)動可進行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。
眾所周知，工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這個缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越。被認為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機進水量、汽輪機循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。
另外，超聲測量儀表的流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應不同介質，不同場合和不同管道條件的流量測量。

測量原理
當超聲波束在液體中傳播時，液體的流動將使傳播時間產生微小變化，并且其傳播時間的變化正比于液體的流速，其關系符合下列表達式
其中
θ為聲束與液體流動方向的夾角
M 為聲束在液體的直線傳播次數
D 為管道內徑
Tup 為聲束在正方向上的傳播時間
Tdown為聲束在逆方向上的傳播時間
ΔT=Tup –Tdown
設靜止流體中的聲速為c，流體流動的速度為u，傳播距離為L，當聲波與流體流動方向一致時（即順流方向），其傳播速度為c+u；反之，傳播速度為c-u.在相距為L的兩處分別放置兩組超聲波發(fā)生器和接收器（T1,R1）和（T2,R2）。當T1順方向，T2逆方向發(fā)射超聲波時，超聲波分別到達接收器R1和R2所需要的時間為t1和t2,則
t1=L/(c+u)； t2=L/(c-u)
由于在工業(yè)管道中，流體的流速比聲速小的多，即c>>u,因此兩者的時間差為 ▽t=t2-t1=2Lu/cc 由此可知，當聲波在流體中的傳播速度c已知時，只要測出時間差▽t即可求出流速u，進而可求出流量Q。利用這個原理進行流量測量的方法稱為時差法。此外還可用相差法、頻差法等。
相差法
如果超聲波發(fā)射器發(fā)射連續(xù)超聲脈沖或周期較長的脈沖列，則在順流和逆流發(fā)射時所接收到的信號之間便要產生相位差▽O,即▽O=w▽t=2wLu/cc
式中，w為超聲波角頻率。當測得▽O時即可求出u,進而求得流量Q。此法用測量相位差▽O代替了測量微小的時差▽t，有利于提高測量精度。但存在者聲速c對測量結果的影響。
頻差法
為了消除聲速c的影響，常采用頻差法。由前可知，上、下游接收器接受到的超聲波的頻率之差為▽f可用下式表示 ▽f=[（c+u）/L]-[(c-u)/L]=2u/L
由此可知，只要測得▽f就可求得流量Q，并且此法與聲速無關。超聲波技術及其應用一、沒測量水位概況
水電站多采用浮子式液位計或投入式液位計來進行水位測量。其缺點為：測量精度低，不可靠，經常出現(xiàn)浮子卡死不動和傳感器堵塞導致測不準；維護工作量大，安裝、調試不便，采集到的僅是模擬告警信號，不能直接進入電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)。對無人值班電廠不實用。
通過對攔污柵水位測量系統(tǒng)進行了反復對比，優(yōu)化得出最后的方案設計，采用超聲波液位計對柵前、柵后水位進行實時準確監(jiān)測，超聲波液位計用PLC對采集量進行處理。并且把實時水位和壓差數據送到中控室，超聲波液位計顯示和越限報警。超聲波液位計同時采用RS422/RS232接口，又把實時數據送到大壩集中控制室工控機，處理成計算機通信報文，最終將采集量送到電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機。
該項目實施后不僅滿足欄污柵柵前、柵后水位及壓差的多點實時監(jiān)測，及報警功能，而且結束了攔污柵測量系統(tǒng)獨立工作，無法與電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)通訊的局面。實現(xiàn)與閘門系統(tǒng)的監(jiān)視功能、控制功能以及故障時ON-CALL尋呼系統(tǒng)功能的集成。滿足了無人值班電站的需要。該技術在云南省電力系統(tǒng)還是第一家。
超聲波液位計測量水位的原理以及安裝要求
超聲波液位計工作時，高頻脈沖聲波由換能器（探頭）發(fā)出，遇被測物體（水面）表面被反射，折回的反射回波被同一換能器（探頭）接收，轉換成電信號。脈沖發(fā)送和接收之間的時間（聲波的運動時間）與換能器到物體表面的距離成正比，聲波傳輸的距離S和聲速C和傳輸時間T之間的關系可以用公式表示：S=　CⅩT/2
例如：聲速C=344m/s，傳輸時間為50ms，即可算出傳輸的距離為17.2m，測定距離為8.6m。
 
可編程超聲波式攔污柵水位測量系統(tǒng)在田壩電站應用產生的效果
用超聲波液位計測量大壩水位在當今國內尚不普遍，技術上尚無經驗可以借鑒。在這樣的情況下，我們充分利用PLC與超聲波液位計這一領域的先進技術，按照總體規(guī)劃，長遠考慮，一次到位，避免重復改造，重復投資的這一原則，對該項目進行自行設計，全面順利地完成了這一課題。在該領域取得了較有價值的經驗。為目前我國國內水電站實現(xiàn)對大壩水位監(jiān)測系統(tǒng)提供了一個可以借鑒的范例。