第六章超声波流量计
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L
图6-14，麦克逊流量计方框图（附有 质量流量计测量回路）
fu
C
V cos
L
两者的差频为
f
fd
fu
2V cos
L
图6-15，用声循环法的超声波流量计方框图
两个超声波收发器希望制造得完全相同，因而具有相同的特性， 它们既起超声波发生器又起超声波接收器的作用。交替转换开 关用来转换超声波的发射方向，一定时间使超声波沿顺流方向 发射，再经过同一时间间隔沿逆流方向发射，时间图如图6-16所 示。
测量范围的界限取决于飘移和噪声，据报道四 小时以内在0.5厘米以下。
6-7-2-5 流量测量
管内流速分布的影响
传播速度差法从原理上看是测量超声 波传播途径上的平均流速，因此，该测 量值是线平均。所以，它和一般的面平 均（真平均流速）不同，其差异取决于 流速的分布。
k V 1 0.01 6025 431Re0.237 V
图6-22，流量修正系数和雷诺数的关系
流速测量方法
流速测量方法
图6-24，小口径管道用超声波流量计的测量管示例
流量计的安装
➢充满着水，一条测量线。 ➢混凝土使超声波超声波传播的损 耗大，因此在相应于超声波传播 途径部分使用不锈钢钢板。
➢并在探测器的对面的壁上安装上 反射板，采用所谓V法一避免流动 偏离管道对称轴所产生的偏流的 影响。
6-7-2-3 声循环法应用
可与被测液体中的声速无关地测量流速， 现在作为大口径管道用的流量计已经得 到最广泛的应用。
二组方式
声循环回路（Sing Around Loop）
构成顺、逆两个方向的
声循环回路来进行的。
这种场合，脉冲经回路
一圈的时间叫做声循环
周期，其倒数叫做声循 环频率。
fd
C
V cos
图6-16，时间图 (u)与加减运算指令一致，对每个 (v)信号得到流速测量值，作为输出信号传送出去
f
fd
fu
V sin 2
D
(1 C sin )2
D
流动与声波夹角
顺逆
管道直径
为固定延迟时间，即：超声波经过塑料楔、管壁和衬 材传播所需要的时间以及电信号滞后时间之和。
6-7-2-4 时间差法
用时间差法测量流速、流量，在初期是 用模拟技术进行的。
传播速度差法 相位差法 时间差法 声循环法 射束位移法
多普勒法
听音法
备注
应用最广泛 上水道用 上水道用
下水、排水 用 与频率有关
传 P-B水槽 感 涡街流量计 器 相关式流量计
节流水位上升 卡门涡 紊流
水位 透过波的振幅 振幅、相位
下水、排水 用，也可检 测透过时间
6-7-2，传播速度差法
将流体流动时与 静止时超声波在 流体中传播的情 形进行比较，由 C2 V 2 于流速不同会使 超声波的传播速 度发生变化。
6-7-3 多普勒法
由单个粒子引起的多普勒频移
若传播超声波的介质中存在着一个单个的粒子，则它和周 围的介质流动的规律一样，以和介质相同的速度V运动。假 如给定超声波收发器T、R，把发射频率取为ft，则由于粒 子的漫反射，进入超声波接收器的接收频率为fr，静止介 质中的声速若取为C，则fr可以表示为：
2 ft t
超声波的 频率
相位差法和时间差法的原理可以看成是一样的。
t
t2
t1
2LV C2
C=constant?
影响流体中声速C的因素
温度
图6-13，水中声音速度是水温的函数，其温度系数随温度不同而异
影响流体中声速C的因素（续）
水温T（C） 含盐量S （o） 水深D（米）
C 1449.2 4.6T 0.055T 2 0.00029T 3 (1.34 0.01T )(S 35) 0.016D
反向循环频率
f2
1 t2
C V L
两个声循环频率之差，取此差为， f
f1
f2
2V L
与声速C无关。由于频率差非常小，检测困难
6-7-2-2相位差法
相位差法本质上和时间差法是相同的
4
ft D cos
C2
百度文库
VFt超声波频率，D管道直径
由于相位差和频率成正比，频率愈高则测量的灵敏度 也高。可是应该看到，频率提高时，可能测量的最大 速度值也就降低了，因此必须适当选取频率值。
近年来，由于数字式技术的进步可以精 密测量微小时间，因此，在顺、逆两方 向同时发射脉冲，把这些接收波前沿的 时间差用数字方式进行测量（LE Flowmeter，LE流量计）
6-7-2-4 时间差法
典型例子是在进行医学实验时，用脉冲时间法 测量经血管内的血液流速。
在这种实验中，把两个传感器和血管相连接， 使用3兆赫的小型钛酸钡陶瓷振荡器用高速交 替变换的一组转换方式进行超声波的收发，在 测量1厘米/秒以下到1米/秒以上的流速时线性 很好。
t1
C
L V
t2
C
L V
t
t2
t1
2LV C2
图6-12 超声波传播速度差法的原理图，液体中超 声波的传播速度是静止液体中声波传播速度C和 流体速度V的矢量和
t1
C
L V
t2
C
L V
2LV 2LV t t2 t1 C2 V 2 C2
0
t
t2
t1
2LV C2
相位差法
相位差法，就是测量顺、逆两个方向接 受波的相位差 ，而时间差 t和 的关 系为：
图6-26，方形暗渠的流量测量示例
图6-27，明渠沟流量测量法
➢探头（超声波收发器）固定在能给出平均流速的水深附近（离 水面距离为水深60%位置），测量该位置（测量线）的速度。
➢预先用实验方法求出取决于水位变化的平均流速和测量流速之 比，把这个值通过线性插入法来修正测量流速，通常将其作为真 平均流速（流量/水流截面之值）输出；将此值与由测量水位得 到的水流截面相乘，以此乘积作为流量由流量运算器输出。
6-7 超声波流量计
测量原理
包括传播速度差法 声循环法 时间差法 多普勒法
种 能动或被动 类
流量计种类
超 声能 波动 流型 量 计
被动型
测量原理 (利用的现 象)
传播速度的变化 (顺流、逆流)
射束位移
多普勒效应
流动产生的声音
检测量
相位差 时间差 频率差
接收波的感度 差 漂移频率
声音的大小
测量方法 简称
0 T 35C 0 S 45% 0 D 1000 （米）
声循环法的原理
首先从发生器T1沿顺流方向发射 超声波脉冲，在接收器R1处接收 这个信号。再在放大器-1处把此 接受信号进行放大，把输出信号 加到发生器T1，从T1再次发射超 声波脉冲，以后重复进行。
正向循环频率
f1
1 t1
C
V L
图6-14，麦克逊流量计方框图（附有 质量流量计测量回路）
fu
C
V cos
L
两者的差频为
f
fd
fu
2V cos
L
图6-15，用声循环法的超声波流量计方框图
两个超声波收发器希望制造得完全相同，因而具有相同的特性， 它们既起超声波发生器又起超声波接收器的作用。交替转换开 关用来转换超声波的发射方向，一定时间使超声波沿顺流方向 发射，再经过同一时间间隔沿逆流方向发射，时间图如图6-16所 示。
测量范围的界限取决于飘移和噪声，据报道四 小时以内在0.5厘米以下。
6-7-2-5 流量测量
管内流速分布的影响
传播速度差法从原理上看是测量超声 波传播途径上的平均流速，因此，该测 量值是线平均。所以，它和一般的面平 均（真平均流速）不同，其差异取决于 流速的分布。
k V 1 0.01 6025 431Re0.237 V
图6-22，流量修正系数和雷诺数的关系
流速测量方法
流速测量方法
图6-24，小口径管道用超声波流量计的测量管示例
流量计的安装
➢充满着水，一条测量线。 ➢混凝土使超声波超声波传播的损 耗大，因此在相应于超声波传播 途径部分使用不锈钢钢板。
➢并在探测器的对面的壁上安装上 反射板，采用所谓V法一避免流动 偏离管道对称轴所产生的偏流的 影响。
6-7-2-3 声循环法应用
可与被测液体中的声速无关地测量流速， 现在作为大口径管道用的流量计已经得 到最广泛的应用。
二组方式
声循环回路（Sing Around Loop）
构成顺、逆两个方向的
声循环回路来进行的。
这种场合，脉冲经回路
一圈的时间叫做声循环
周期，其倒数叫做声循 环频率。
fd
C
V cos
图6-16，时间图 (u)与加减运算指令一致，对每个 (v)信号得到流速测量值，作为输出信号传送出去
f
fd
fu
V sin 2
D
(1 C sin )2
D
流动与声波夹角
顺逆
管道直径
为固定延迟时间，即：超声波经过塑料楔、管壁和衬 材传播所需要的时间以及电信号滞后时间之和。
6-7-2-4 时间差法
用时间差法测量流速、流量，在初期是 用模拟技术进行的。
传播速度差法 相位差法 时间差法 声循环法 射束位移法
多普勒法
听音法
备注
应用最广泛 上水道用 上水道用
下水、排水 用 与频率有关
传 P-B水槽 感 涡街流量计 器 相关式流量计
节流水位上升 卡门涡 紊流
水位 透过波的振幅 振幅、相位
下水、排水 用，也可检 测透过时间
6-7-2，传播速度差法
将流体流动时与 静止时超声波在 流体中传播的情 形进行比较，由 C2 V 2 于流速不同会使 超声波的传播速 度发生变化。
6-7-3 多普勒法
由单个粒子引起的多普勒频移
若传播超声波的介质中存在着一个单个的粒子，则它和周 围的介质流动的规律一样，以和介质相同的速度V运动。假 如给定超声波收发器T、R，把发射频率取为ft，则由于粒 子的漫反射，进入超声波接收器的接收频率为fr，静止介 质中的声速若取为C，则fr可以表示为：
2 ft t
超声波的 频率
相位差法和时间差法的原理可以看成是一样的。
t
t2
t1
2LV C2
C=constant?
影响流体中声速C的因素
温度
图6-13，水中声音速度是水温的函数，其温度系数随温度不同而异
影响流体中声速C的因素（续）
水温T（C） 含盐量S （o） 水深D（米）
C 1449.2 4.6T 0.055T 2 0.00029T 3 (1.34 0.01T )(S 35) 0.016D
反向循环频率
f2
1 t2
C V L
两个声循环频率之差，取此差为， f
f1
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2V L
与声速C无关。由于频率差非常小，检测困难
6-7-2-2相位差法
相位差法本质上和时间差法是相同的
4
ft D cos
C2
百度文库
VFt超声波频率，D管道直径
由于相位差和频率成正比，频率愈高则测量的灵敏度 也高。可是应该看到，频率提高时，可能测量的最大 速度值也就降低了，因此必须适当选取频率值。
近年来，由于数字式技术的进步可以精 密测量微小时间，因此，在顺、逆两方 向同时发射脉冲，把这些接收波前沿的 时间差用数字方式进行测量（LE Flowmeter，LE流量计）
6-7-2-4 时间差法
典型例子是在进行医学实验时，用脉冲时间法 测量经血管内的血液流速。
在这种实验中，把两个传感器和血管相连接， 使用3兆赫的小型钛酸钡陶瓷振荡器用高速交 替变换的一组转换方式进行超声波的收发，在 测量1厘米/秒以下到1米/秒以上的流速时线性 很好。
t1
C
L V
t2
C
L V
t
t2
t1
2LV C2
图6-12 超声波传播速度差法的原理图，液体中超 声波的传播速度是静止液体中声波传播速度C和 流体速度V的矢量和
t1
C
L V
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2LV 2LV t t2 t1 C2 V 2 C2
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2LV C2
相位差法
相位差法，就是测量顺、逆两个方向接 受波的相位差 ，而时间差 t和 的关 系为：
图6-26，方形暗渠的流量测量示例
图6-27，明渠沟流量测量法
➢探头（超声波收发器）固定在能给出平均流速的水深附近（离 水面距离为水深60%位置），测量该位置（测量线）的速度。
➢预先用实验方法求出取决于水位变化的平均流速和测量流速之 比，把这个值通过线性插入法来修正测量流速，通常将其作为真 平均流速（流量/水流截面之值）输出；将此值与由测量水位得 到的水流截面相乘，以此乘积作为流量由流量运算器输出。
6-7 超声波流量计
测量原理
包括传播速度差法 声循环法 时间差法 多普勒法
种 能动或被动 类
流量计种类
超 声能 波动 流型 量 计
被动型
测量原理 (利用的现 象)
传播速度的变化 (顺流、逆流)
射束位移
多普勒效应
流动产生的声音
检测量
相位差 时间差 频率差
接收波的感度 差 漂移频率
声音的大小
测量方法 简称
0 T 35C 0 S 45% 0 D 1000 （米）
声循环法的原理
首先从发生器T1沿顺流方向发射 超声波脉冲，在接收器R1处接收 这个信号。再在放大器-1处把此 接受信号进行放大，把输出信号 加到发生器T1，从T1再次发射超 声波脉冲，以后重复进行。
正向循环频率
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1 t1
C
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