超聲波水流量計(jì)的工作原理

近幾年來，隨著電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和聲楔材料等技術(shù)的發(fā)展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術(shù)發(fā)展很快。基于不同原理，不同結(jié)構(gòu)，適用于不同場合的各種形式的超聲波水流量計(jì)已相繼出現(xiàn)，因其具有運(yùn)行穩(wěn)定、安裝簡單、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到工農(nóng)業(yè)、水利、水電等部門，正日趨成為測流工作的*選工具。

 

1、超聲波水流量計(jì)的測量原理

超聲波水流量計(jì)常用的測量方法為傳播速度差法、多普勒法等。傳播速度差法又包括直接時(shí)差法、相差法和頻差法。其基本原理都是測量超聲波脈沖順?biāo)骱湍嫠鲿r(shí)速度之差來反映流體的流速，從而測出流量；多普勒法的基本原理則是應(yīng)用聲波中的多普勒效應(yīng)測得順?biāo)骱湍嫠鞯念l差來反映流體的流速從而得出流量。

 

超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)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。超聲波水流量計(jì)是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)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(jì)聯(lián)動(dòng)可進(jìn)行敞開水流的流量測量。使用超聲波水流量計(jì)比不用在流體中安裝測量元件故不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可在不影響生產(chǎn)管線的情況下運(yùn)行，因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。

 

超聲波水流量計(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)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實(shí)現(xiàn)了流量的檢測和顯示。

 

超聲波水流量計(jì)常用壓電換能器。它利用壓電效應(yīng)，采用適出的發(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入流體中傳播，然后接收換能器接收，經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔埽员銠z測。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)。

 

超聲波水流量計(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，使超聲波以合適角度射入到流體中，需把元件放入聲楔中，構(gòu)成換能器整體（又稱探頭）。聲楔的材料不僅要求強(qiáng)度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機(jī)玻璃，因?yàn)樗该鳎梢杂^察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。