超(chao)聲波流(liu)量計原理

近幾年(nian)來(lai)，隨(sui)著電子(zi)技(ji)術(shu)、數(shu)字(zi)技(ji)術(shu)和(he)聲楔材料(liao)等(deng)技(ji)術(shu)的(de)發展(zhan)，利(li)用超聲波脈(mai)沖測(ce)量(liang)流體流(liu)量的(de)技(ji)術(shu)發展(zhan)很(hen)快(kuai)。基(ji)於(yu)不同原理，適(shi)用於(yu)不同場(chang)合(he)的(de)各種(zhong)形(xing)式(shi)的(de)超聲波流(liu)量計已(yi)相(xiang)繼出(chu)現，其應用領域涉及到(dao)工農(nong)業(ye)、水利、水電等(deng)部門，正日(ri)趨(qu)成(cheng)為(wei)測流(liu)工作(zuo)的(de)工具。

2超(chao)聲波流(liu)量計的(de)測量(liang)原理

超(chao)聲波流(liu)量計常(chang)用的(de)測量(liang)方法為(wei)傳(chuan)播速度差(cha)法(fa)、多(duo)普(pu)勒法等(deng)。傳(chuan)播速度差(cha)法(fa)又(you)包(bao)括直接時差(cha)法(fa)、相(xiang)差(cha)法(fa)和(he)頻(pin)差(cha)法(fa)。其(qi)基(ji)本原理都是測量(liang)超(chao)聲波脈(mai)沖順水流和(he)逆水流時(shi)速(su)度之差(cha)來(lai)反(fan)映(ying)流(liu)體的(de)流速(su)，從而測(ce)出(chu)流(liu)量；多(duo)普勒(le)法(fa)的(de)基(ji)本原理則是應用聲波中的(de)多普(pu)勒效(xiao)應測得順水流和(he)逆水流的(de)頻(pin)差(cha)來(lai)反(fan)映(ying)流(liu)體的(de)流速(su)從而得(de)出(chu)流(liu)量。

2.1時(shi)差(cha)法(fa)測(ce)量(liang)原理

時(shi)差(cha)法(fa)測(ce)量(liang)流體流(liu)量的(de)原理如圖(tu)1所(suo)示(shi)。它(ta)利用聲波在(zai)流體中傳(chuan)播時因(yin)流體流(liu)動方向不同而傳(chuan)播速度不同的(de)特點(dian),測量(liang)它(ta)的(de)順流傳(chuan)播時間t1和(he)逆流傳播時間t2的(de)差(cha)值,從而計算(suan)流體流(liu)動的(de)速度和(he)流量。 

圖(tu)1超聲波流(liu)量計測(ce)流原理圖(tu)

設(she)靜止流體中聲速為(wei)c，流體流(liu)動速(su)度為v，把(ba)壹(yi)組(zu)換(huan)能器P1、P2與管(guan)渠軸線(xian)安裝成(cheng)θ角，換能器的(de)距離(li)為(wei)L。從P1到(dao)P2順流發射時(shi)，聲波傳(chuan)播時間t1為： 

從P2到(dao)P1逆流(liu)發射時(shi)，聲波的(de)傳播時間t2為： 

壹(yi)般c>>v，則時(shi)差(cha)為(wei)： 

單(dan)聲道(dao)測(ce)試系統(tong)只適(shi)用於(yu)小(xiao)型渠道(dao)水位和(he)流速變化(hua)不大的(de)場合(he)。大型渠道(dao)水面寬、水深(shen)大，其流速(su)縱橫變化(hua)也(ye)較(jiao)大，須采(cai)用多聲道(dao)超(chao)聲波測(ce)流才能獲得(de)準確的(de)流量(liang)值，見(jian)圖(tu)2。應用公式(shi)（5）、（6）可(ke)測得流(liu)量Q。 

以(yi)上各式(shi)中：d為(wei)垂(chui)直於(yu)水流方向上兩換(huan)能器之(zhi)間(jian)水平(ping)投影(ying)的(de)距離(li)，為(wei)聲道(dao)數(shu)，S為(wei)兩聲道(dao)之(zhi)間的(de)過(guo)水斷(duan)面面積(ji)。 

圖(tu)2多聲道(dao)超(chao)聲波流(liu)量計測(ce)流原理圖(tu)

2.2多(duo)普勒(le)法(fa)測量原理

多(duo)普勒(le)法(fa)測量原理，是依據聲波中的(de)多普(pu)勒效(xiao)應，檢測其多(duo)普(pu)勒(le)頻(pin)率差(cha)。超(chao)聲波發生器為(wei)壹(yi)固(gu)定(ding)聲源(yuan)，隨(sui)流(liu)體以(yi)同速(su)度運動的(de)固體顆(ke)粒與聲源(yuan)有相(xiang)對運(yun)動，該(gai)固(gu)體顆(ke)粒可(ke)把(ba)入射(she)的(de)超聲波反(fan)射回(hui)接(jie)收(shou)器。入射(she)聲波與反(fan)射(she)聲波之(zhi)間的(de)頻(pin)率差(cha)就(jiu)是由於(yu)流(liu)體中固(gu)體顆(ke)粒運(yun)動而產(chan)生的(de)聲波多(duo)普勒(le)頻(pin)移。由於(yu)這(zhe)個(ge)頻(pin)率差(cha)正比於(yu)流(liu)體流(liu)速，所(suo)以(yi)通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)頻(pin)率差(cha)就(jiu)可(ke)以(yi)求得流(liu)速(su)，進而可(ke)以(yi)得到(dao)流體流(liu)量，如圖(tu)3。 

圖(tu)3多普(pu)勒(le)超聲波流(liu)量計測(ce)流原理圖(tu)

當隨(sui)流(liu)體以(yi)速度v運動的(de)顆粒(li)流向(xiang)聲波發生器時(shi)，顆(ke)粒(li)接(jie)收(shou)到(dao)的(de)聲波頻(pin)率f1為(wei)： 

因(yin)此，聲波接(jie)收(shou)器和(he)發生器間(jian)的(de)多普(pu)勒頻(pin)移Δf為(wei)： 

以(yi)上各式(shi)中：θ為(wei)聲波方向與流(liu)體流(liu)速v之(zhi)間(jian)的(de)夾角，f0為聲源(yuan)的(de)初始(shi)聲波頻(pin)率，c為(wei)聲源(yuan)在(zai)介(jie)質(zhi)中的(de)傳播速度。若c>>vcosθ則 

式(shi)（11）、（12）是按單(dan)個(ge)顆(ke)粒考慮時(shi)，測得的(de)流體流(liu)速和(he)流量。但對於(yu)實際含有大量粒群的(de)水流，則應對所有頻(pin)移信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)統計處(chu)理。超(chao)聲波多(duo)普勒(le)流(liu)量(liang)計的(de)換能器通(tong)常(chang)采(cai)用收(shou)發壹體結(jie)構，見(jian)圖(tu)4。換(huan)能器接(jie)收(shou)到(dao)的(de)反射(she)信號(hao)只能是發生器和(he)接收(shou)器的(de)兩個(ge)指向(xiang)性波(bo)束(shu)重(zhong)疊(die)區(qu)域內(nei)顆粒(li)的(de)反射(she)波，這(zhe)個(ge)重(zhong)疊(die)區(qu)域稱為多普(pu)勒信號的(de)信息(xi)窗。換(huan)能器所(suo)收(shou)到(dao)的(de)信號(hao)就是由信息窗中所(suo)有流(liu)動懸(xuan)浮(fu)顆(ke)粒的(de)反射(she)波的(de)疊(die)加，即(ji)信(xin)息窗內(nei)多普(pu)勒(le)頻(pin)移為(wei)反(fan)射(she)波疊(die)加的(de)平(ping)均(jun)值。

平(ping)均(jun)多普(pu)勒頻(pin)移Δ-f可(ke)以(yi)表(biao)示為(wei)： 

式(shi)中Δ-f——信(xin)息(xi)窗內(nei)所有反(fan)射粒(li)子(zi)的(de)多普(pu)勒頻(pin)移的(de)平(ping)均(jun)值；
ΣNi——產(chan)生多(duo)普勒(le)頻(pin)移Δfi的(de)粒子(zi)數(shu)；
Δfi——任(ren)壹(yi)個(ge)懸(xuan)浮(fu)粒(li)子產(chan)生的(de)多普(pu)勒頻(pin)移。

由上可知，該流量計測(ce)得的(de)多普(pu)勒頻(pin)移信(xin)號(hao)僅反(fan)映(ying)了信(xin)息(xi)窗區(qu)域內(nei)的(de)流體速(su)度，因(yin)此要(yao)求信息(xi)窗應位於(yu)管(guan)渠內(nei)接近平(ping)均(jun)流速(su)的(de)部位，才能使(shi)其(qi)測(ce)量值反(fan)映(ying)管(guan)渠內(nei)流體的(de)平(ping)均(jun)流速(su)。 

圖(tu)4多普(pu)勒(le)信息窗示(shi)意(yi)圖(tu)

3超(chao)聲波流(liu)量計的(de)分類

3.1根(gen)據超聲波聲道(dao)結(jie)構類型(xing)可(ke)分為單聲道(dao)和(he)多聲道(dao)超(chao)聲波流(liu)量計

單(dan)聲道(dao)超(chao)聲波流(liu)量計是在被測管(guan)道(dao)或渠道(dao)上安裝壹對換能器構(gou)成(cheng)壹(yi)個超(chao)聲波通(tong)道(dao)，應用比較(jiao)多(duo)的(de)換能器是外夾(jia)式(shi)和(he)插入式(shi)。單聲道(dao)超(chao)聲波流(liu)量計結(jie)構簡單(dan)、使(shi)用方便(bian)，但這(zhe)種(zhong)流(liu)量(liang)計對(dui)流態分布變化(hua)適(shi)應性差(cha)，測(ce)量(liang)精度不易控(kong)制(zhi)，壹(yi)般用於(yu)中小(xiao)口徑(jing)管道(dao)和(he)對測量精度要求不高的(de)渠道(dao)。多(duo)聲道(dao)超(chao)聲波是在被測管(guan)道(dao)或渠道(dao)上安裝多對超聲波換(huan)能器構(gou)成(cheng)多(duo)個超(chao)聲波通(tong)道(dao)，綜合各聲道(dao)測(ce)量結(jie)果求出(chu)流(liu)量。與單(dan)聲道(dao)超(chao)聲波流(liu)量計相(xiang)比，多(duo)聲道(dao)流(liu)量計對(dui)流態分布變化(hua)適(shi)應能力強(qiang)，測(ce)量精度高，可(ke)用於(yu)大口徑管(guan)道(dao)和(he)流態分布復雜的(de)管渠。

3.2根(gen)據超聲波流(liu)量計適(shi)用的(de)流道(dao)不同可(ke)分為管道(dao)流(liu)量計、管(guan)渠流量計和(he)河流(liu)流(liu)量計

管(guan)道(dao)流(liu)量計壹(yi)般是指用於(yu)有壓管(guan)道(dao)的(de)流量(liang)計，其(qi)中也(ye)包(bao)括(kuo)有壓的(de)各種(zhong)形(xing)狀(zhuang)斷(duan)面的(de)涵(han)洞(dong)，這(zhe)種(zhong)流(liu)量(liang)計壹(yi)般是通(tong)過(guo)壹(yi)個(ge)或多個(ge)聲道(dao)測(ce)量流體中的(de)流速(su)，然後求得流(liu)量(liang)。用於(yu)管(guan)渠的(de)超聲波流(liu)量計除(chu)了要(yao)具有測(ce)流速(su)的(de)換能器以(yi)外，還(hai)需(xu)要有測(ce)水位的(de)換能器，根(gen)據測得(de)的(de)流速(su)和(he)水位求得流(liu)量(liang)。用於(yu)管(guan)渠的(de)流量(liang)計壹(yi)般含有多(duo)個測(ce)速(su)換(huan)能器（由聲道(dao)數(shu)決定(ding)）和(he)壹個測水位換(huan)能器。多(duo)數(shu)河流(liu)超(chao)聲波流(liu)量計僅測(ce)流速(su)和(he)水位，而河流(liu)的(de)過(guo)水流量(liang)由用戶(hu)根據河床斷(duan)面進行(xing)計算(suan)。

4應用研究(jiu)

結(jie)合國家大型灌區(qu)信息化(hua)建(jian)設(she)的(de)研究(jiu)內(nei)容，作(zuo)者(zhe)在(zai)昌樂(le)縣(xian)高崖(ya)水庫(ku)灌區(qu)的(de)北(bei)幹(gan)渠上布設(she)了4處(chu)監(jian)測(ce)站(zhan)：其中徐家廟監(jian)測(ce)站渠底寬(kuan)7.0m，水深(shen)1.0～2.0m，采(cai)用5聲道(dao)明渠超聲波流(liu)量計監(jian)測，見(jian)圖(tu)5。山秦監(jian)測(ce)站將(jiang)壹(yi)段(duan)明渠改(gai)造(zao)為(wei)有壓管(guan)道(dao)輸(shu)水，管徑(jing)是1.4m，采用單聲道(dao)管(guan)道(dao)超(chao)聲波流(liu)量計監(jian)測，見(jian)圖(tu)6。在(zai)日(ri)照(zhao)水庫(ku)灌區(qu)總幹渠上布設(she)了6個(ge)測(ce)站(zhan)，其(qi)中石咀(ju)監測(ce)站(zhan)渠寬4m，水深(shen)1.5～2m，采(cai)用了多(duo)普(pu)勒(le)超(chao)聲波流(liu)量計進(jin)行(xing)監測(ce)，見圖(tu)7。 

圖(tu)7石咀(ju)測站(zhan)多(duo)普勒(le)超聲波流(liu)量計示(shi)意圖(tu)

各測(ce)站(zhan)采用高精度流速(su)儀(yi)對(dui)所(suo)測(ce)的(de)瞬時(shi)流量(liang)進行(xing)對比分析(xi)。通(tong)過(guo)比較(jiao)和(he)個別參(can)數(shu)修(xiu)訂，各測(ce)站(zhan)測出(chu)的(de)瞬時(shi)流量(liang)穩定(ding)可靠(kao)，與流(liu)速(su)儀(yi)測(ce)出(chu)的(de)數(shu)據有很(hen)高的(de)壹致性。

5結(jie)束(shu)語

超(chao)聲波測(ce)流技(ji)術(shu)以(yi)其測(ce)量精度高、實時性好(hao)的(de)特點(dian)越(yue)來(lai)越(yue)得(de)到(dao)重(zhong)視。但因(yin)其價(jia)格高、專業(ye)性強(qiang)、維(wei)護(hu)管理(li)要求高使(shi)其(qi)應用推廣(guang)較(jiao)慢(man)。隨(sui)著國家對水利投入的(de)加大和(he)節水型社(she)會(hui)的(de)建(jian)設(she)，該技(ji)術(shu)設(she)備將(jiang)很(hen)快(kuai)成(cheng)為(wei)主要測流手(shou)段(duan)而得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)的(de)應用。