超声波流量测量技术综述
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超声波流量测量技术综述
目录
引言 超声波流量计时差法
总结展望
1 引言
超声波流量计的国内外发 展现状 超声波流量计的特点
超声波流量计的分类
1.1 超声波流量计的国内外发展现状
• 1931 年，最早的关于超声波用于管道流量测量的 德国专利 • 1955年，诞生了世界上第一台超声波流量计— MAXSON 流量计 • 1958年，设计出来折射式超声波探头 • 70年代早期，超声多普勒流量计诞生 • 70年代后期到80年代初期，研制出了用于气体流 量测量的超声波流量计
3 总结展望
• 超声波流量计属于非接触式仪表，适于测量不易 接触和观察的流体以及大管径流量测量。 • 使用超声波流量计不用在流体中安装测量元件， 故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力， 仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而 是一种理想的节能型流量计。 • 随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及以 及产品成本的降低和可靠性的提高，超声波流量 仪表将成为流体计量中最为普遍采用的手段。
4 致谢
• 非常感谢陈继华老师将我带入计量学这个广阔的 学习和研究领域，感谢老师在论文写作中对我的 耐心指导和帮助。
T xy T 0
2.3 时差法与相关法相结合
• 互相关函数图形峰值(最大值)位置所对应的时间 0 就是两信号间滞后时间。
• 在理想流动状态下，上述系统可视为一个线性非 ) h( ) 时变系统，即 h(t,。将变成与时间 t无关的 ，而且 h(t。 , ) (t t0 ) 可以表示成一简单的延时脉冲即 • 则互相关函数就是在时间轴上平移了 0的输入信号 R ( ) x(t)的自相关函数,即 。
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.1 时差法流量计原理
•
t AB L c v cos
（2-6）
•
•
•
•
t BA
L c v cos
（2-7）
（2-8）
D L sin
2 vL cos （ 2-9 ） t c 2 v 2 cos 2 c 2 t t an v（ 2-10） 2D
2.3 时差法与相关法相结合
•
• • • • • • •
相关法寻找两个 信号的最大相似 性，从而排除了 个别干扰信号的 影响，且精度较 高，多用于两相 的流速测量中。 可在系统中用三个甚至更多的控制截面来提高测 量精度，缺点是需要多个传感器，对芯片的处理 能力要求较高。
2.4 影响测量的因素
• 流速公式(2-16)是在理想情况下，即管道中流体 流速分布均匀，管道内流体与管道外界环境温度 相同的条件下得到的，而实际工业管道中流体的 流动十分复杂，管内外温度也可能有较大的差别。 这些因素都会影响测量的精度： • （1）流体的局部压力、密度的变化以及流速的影 响。 • （2）单相流体在湍流流动状态下，流体内部常常 存在局部温度的不均匀性。 • （3）做湍流流动的单相流体内部的涡旋运动，可 以使在发送器和接收器之间流体中传播的声波产 生附加的多普勒频移。
Байду номын сангаас
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.2 改进时差法 1 • 补偿系数 K 的计算经验公式： •
4 / 3 K 1 0.01 6.25 431Re 0.237 Re 105 1.119 0.011log Re Re 105
• 二十世纪五十年代末期，国内一些单位开始了相 关的研究 • 六十年代中期，研制出了用于水电站特大口径的 超声波流量计 • 1975 年，开始研制频差法超声波流量计 • 80 年代中期，国内生产出了代表当时国际水平的 超声波流量计 • 2000年引进气体超声波流量计 • 总体上，国内的高精度超声波流量计几乎全是国 外的产品，低端产品过剩，高端依赖进口的形势
2.4 影响测量的因素
• 除了温度变化、流速分布不均匀、多普勒频移外， 引起时差法测量误差的原因还有工业现场干扰、 管壁厚度和电路、声路延时等。至于电声的传播 延时，如果电路和声路近似对称，也可以忽略， 互相关法就可以很好的消除电路延时造成的影响。 所以流量计算的误差修正主要是消除温度变化和 流速分布不均匀产生的影响。
2.3 时差法与相关法相结合
• 设换能器A发射的超声波为x0(t)，相应的换能器B 接收到的超声波为x(t)；同理换能器B发射的超声 波为y0(t),相应的换能器A接收到的超声波为y(t)。 则有： • x0(t)与x(t)互相关函数最大值时得出 t AB ； • y0(t)与y(t)互相关函数最大值时得出 t BA ； • x(t)与y(t)互相关函数最大值时得出时差 t ； • 由此可以计算出流量，相关法计算流量过程如下 图2.8所示。
xy
2.3 时差法与相关法相结合
• 在超声波流量计设计中，如图2.6所示，当超声波 信号由换能器A发射向换能器B时，换能器B接收 到的信号与换能器A发射的信号在时域上波形应 该是相同的，仅仅有时间的延迟，延迟的时间即 为超声波从换能器A到换能器B的渡越时间，同理 也可以得出超声波由换能器B到换能器A的渡越时 间。另外换能器A、B分别接收到的信号波形也是 相同的，两者之间的时间延迟即为渡越时间之差， t BA t 因此利用相关法完全可以测出 t、 和时差 。 AB
2.3 时差法与相关法相结合
• 相关法测时差的前提是两信号的相似性，信号相 似性越高，时差测量越精确。信号在传输过程中 会发生畸变，但只要两信号还保持原来的相似性， 时差测量精度就不会改变。即只要两信号相似， 就不会影响时差测量结果。 • 两随机信号x(t)和y(t)波形基本相同，只是两信号 间有一时间上的滞后。将信号x(t)和y(t)做互相关 运算,则互相关函数为： 1 R ( ) lim x(t ) y (t )dt • （2-19） T
1.3 超声波流量计的分类
根据测量原理，超声波流量计可分为： 时差法超声流量计、相差法超声流量计、 频差法超声流量计、多普勒超声流量计、液位测量、 相关法超声流量计等。
2 超声波流量计时差法
超声波流量计各方法原理 时差法超声波流量计 时差法与相关法相结合的 方法
影响测量的因素
2.1超声波流量计各方法原理
t AB
BA
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.2 改进时差法 • 两式相减得气体流速： • 相加气体内声速：
v t BA t AB D （2-13） t AB t BA sin 2
L t AB t BA c （2-14） 2 t AB t BA
Q V A t • 流量 （ ） M 2-15 • 流体流动一般分为两种状态：一是层流状态，轴 向流动；二是紊流状态，既有轴向的运动，又有 剧烈的横向流动。两种不同状态对应速度分布不 同。所以(2-15)是远远不精确的,用如下公式： 1 D 2 QM vt • （2-16） K 4
• 2.1.3波束偏移法工作原理 • 超声波束在流体的流动影响下,其波束的方向会发 生偏移，在超声波束与流动方向垂直时,这一偏移 更明显,超声波束方向的偏移,是以接收换能器所接 收的波束强度的差值变化来反映的，即该强度与 流速有关。 • 2.1.4噪音法工作原理 • 噪声法指当流体在管道中流动时，会产生涡流或 紊流等，由于流体产生的剪切作用，会在一定频 率范围内产生超声波，流速与所产生的噪声强度 成比例。这样，通过对噪声的检测就可以得出流 体的流速。
2.1超声波流量计各方法原理
• 2.1.5 旋涡法工作原理 • 漩涡法是利用流体运动时所产生的漩涡来进行测 量的。当流体运动时所产生的漩涡速度几乎与流 体速度相等,超生波束每穿过一个漩涡时,由于漩涡 对声波的折射和反射都使接收器接收到的信号幅 度被调制一次，可根据调制频率而获得流速。 • 2.1.6 相关法测量原理 • 多数流体在管道内的流动是以相关方式运动的紊 流模式存在的。若在管道中相隔一定间距的截面 上观察他们的特性，可知流速剖面之间存在相关 性，相关度是随着间距的减小而增加。
1.1 超声波流量计的国内外发展现状
• 20世纪90年代后，超声波流量计的关键部件－超 声波传感器的性能得到了比较大的进步。 • 进入二十一世纪后，现代数字信号技术等先进技 术在超声波流量计方面成功应用，使得超声波流 量计测量的精确性、稳定性及操作的便利性得到 了充分的体现
1.1 超声波流量计的国内外发展现状
1.2 超声波流量计的特点
超声波流量计一种非接触式仪表，主要特点: • 解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困 难的问题。 • 对介质几乎没要求。可测液体、气体、甚至双向 气体 • 超声波流量计的测量准确度几乎不受被测流体温 度、压力、密度、粘度等参数的影响 • 超声波流量计的测量范围度宽,一般可达20:1
（2-18）
• 其中Re为流体的雷诺系数，用来表征流体流动特 性，管道是圆形时，计算公式如下： vD Re • （2-19） • 管道是圆形时，Re 2320时,流体是层流状态， Re>2320就认为是紊流状态。
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.3 改进时差法的实现难点 • 气体的渡越时间与管道尺寸及声速有密切关系， 管道直径为500mm时，渡越时间在ms数量级， 渡越时间之差在 s数量级甚至可能更低，因此精 确测量渡越时间和渡越时间之差、和非常重要。 • 此方法对渡越时间和渡越时间之差的测量精度要 求非常高，因此如何精确测量它们成为一难点。 • 其中一种方法是将时差法和相关法相结合，使用 相关法能以较高的精度测出渡越时间，并能直接 测出渡越时间之差，排除由相对精度造成的误差， 大大提高运算精度。
• 2.1.1 传播速度差法工作原理 • 根据超声波在流动的流体中,顺流传播的时间与逆 流传播的时间之差与被测流体的流速有关,求出流 速的方法。 • 2.1.2 多普勒法工作原理 • 当发射器和接收器之间有相对运动时,接收器的接 收声频率与发射器的发声频率之差跟两者之间的 相对速度成正比。
2.1超声波流量计各方法原理
•
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.2 改进时差法 • 由于式(2-10)中含有声速c，温度的变化会引起声 速的变化。当管道中的流体温度与管道外的现场 环境温度存在差别较小时，在运算中可以忽略不 计，这时可以通过改进的测量方法和算法，消除 计算公式中的声速，从而简化流体传播速度的计 算。在改进的时差法中对式(2-6)(2-7)进行变形， 得到超声波顺流传播时： • L L c v cos • c v cos （2-11） （2-12） t
目录
引言 超声波流量计时差法
总结展望
1 引言
超声波流量计的国内外发 展现状 超声波流量计的特点
超声波流量计的分类
1.1 超声波流量计的国内外发展现状
• 1931 年，最早的关于超声波用于管道流量测量的 德国专利 • 1955年，诞生了世界上第一台超声波流量计— MAXSON 流量计 • 1958年，设计出来折射式超声波探头 • 70年代早期，超声多普勒流量计诞生 • 70年代后期到80年代初期，研制出了用于气体流 量测量的超声波流量计
3 总结展望
• 超声波流量计属于非接触式仪表，适于测量不易 接触和观察的流体以及大管径流量测量。 • 使用超声波流量计不用在流体中安装测量元件， 故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力， 仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而 是一种理想的节能型流量计。 • 随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及以 及产品成本的降低和可靠性的提高，超声波流量 仪表将成为流体计量中最为普遍采用的手段。
4 致谢
• 非常感谢陈继华老师将我带入计量学这个广阔的 学习和研究领域，感谢老师在论文写作中对我的 耐心指导和帮助。
T xy T 0
2.3 时差法与相关法相结合
• 互相关函数图形峰值(最大值)位置所对应的时间 0 就是两信号间滞后时间。
• 在理想流动状态下，上述系统可视为一个线性非 ) h( ) 时变系统，即 h(t,。将变成与时间 t无关的 ，而且 h(t。 , ) (t t0 ) 可以表示成一简单的延时脉冲即 • 则互相关函数就是在时间轴上平移了 0的输入信号 R ( ) x(t)的自相关函数,即 。
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.1 时差法流量计原理
•
t AB L c v cos
（2-6）
•
•
•
•
t BA
L c v cos
（2-7）
（2-8）
D L sin
2 vL cos （ 2-9 ） t c 2 v 2 cos 2 c 2 t t an v（ 2-10） 2D
2.3 时差法与相关法相结合
•
• • • • • • •
相关法寻找两个 信号的最大相似 性，从而排除了 个别干扰信号的 影响，且精度较 高，多用于两相 的流速测量中。 可在系统中用三个甚至更多的控制截面来提高测 量精度，缺点是需要多个传感器，对芯片的处理 能力要求较高。
2.4 影响测量的因素
• 流速公式(2-16)是在理想情况下，即管道中流体 流速分布均匀，管道内流体与管道外界环境温度 相同的条件下得到的，而实际工业管道中流体的 流动十分复杂，管内外温度也可能有较大的差别。 这些因素都会影响测量的精度： • （1）流体的局部压力、密度的变化以及流速的影 响。 • （2）单相流体在湍流流动状态下，流体内部常常 存在局部温度的不均匀性。 • （3）做湍流流动的单相流体内部的涡旋运动，可 以使在发送器和接收器之间流体中传播的声波产 生附加的多普勒频移。
Байду номын сангаас
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.2 改进时差法 1 • 补偿系数 K 的计算经验公式： •
4 / 3 K 1 0.01 6.25 431Re 0.237 Re 105 1.119 0.011log Re Re 105
• 二十世纪五十年代末期，国内一些单位开始了相 关的研究 • 六十年代中期，研制出了用于水电站特大口径的 超声波流量计 • 1975 年，开始研制频差法超声波流量计 • 80 年代中期，国内生产出了代表当时国际水平的 超声波流量计 • 2000年引进气体超声波流量计 • 总体上，国内的高精度超声波流量计几乎全是国 外的产品，低端产品过剩，高端依赖进口的形势
2.4 影响测量的因素
• 除了温度变化、流速分布不均匀、多普勒频移外， 引起时差法测量误差的原因还有工业现场干扰、 管壁厚度和电路、声路延时等。至于电声的传播 延时，如果电路和声路近似对称，也可以忽略， 互相关法就可以很好的消除电路延时造成的影响。 所以流量计算的误差修正主要是消除温度变化和 流速分布不均匀产生的影响。
2.3 时差法与相关法相结合
• 设换能器A发射的超声波为x0(t)，相应的换能器B 接收到的超声波为x(t)；同理换能器B发射的超声 波为y0(t),相应的换能器A接收到的超声波为y(t)。 则有： • x0(t)与x(t)互相关函数最大值时得出 t AB ； • y0(t)与y(t)互相关函数最大值时得出 t BA ； • x(t)与y(t)互相关函数最大值时得出时差 t ； • 由此可以计算出流量，相关法计算流量过程如下 图2.8所示。
xy
2.3 时差法与相关法相结合
• 在超声波流量计设计中，如图2.6所示，当超声波 信号由换能器A发射向换能器B时，换能器B接收 到的信号与换能器A发射的信号在时域上波形应 该是相同的，仅仅有时间的延迟，延迟的时间即 为超声波从换能器A到换能器B的渡越时间，同理 也可以得出超声波由换能器B到换能器A的渡越时 间。另外换能器A、B分别接收到的信号波形也是 相同的，两者之间的时间延迟即为渡越时间之差， t BA t 因此利用相关法完全可以测出 t、 和时差 。 AB
2.3 时差法与相关法相结合
• 相关法测时差的前提是两信号的相似性，信号相 似性越高，时差测量越精确。信号在传输过程中 会发生畸变，但只要两信号还保持原来的相似性， 时差测量精度就不会改变。即只要两信号相似， 就不会影响时差测量结果。 • 两随机信号x(t)和y(t)波形基本相同，只是两信号 间有一时间上的滞后。将信号x(t)和y(t)做互相关 运算,则互相关函数为： 1 R ( ) lim x(t ) y (t )dt • （2-19） T
1.3 超声波流量计的分类
根据测量原理，超声波流量计可分为： 时差法超声流量计、相差法超声流量计、 频差法超声流量计、多普勒超声流量计、液位测量、 相关法超声流量计等。
2 超声波流量计时差法
超声波流量计各方法原理 时差法超声波流量计 时差法与相关法相结合的 方法
影响测量的因素
2.1超声波流量计各方法原理
t AB
BA
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.2 改进时差法 • 两式相减得气体流速： • 相加气体内声速：
v t BA t AB D （2-13） t AB t BA sin 2
L t AB t BA c （2-14） 2 t AB t BA
Q V A t • 流量 （ ） M 2-15 • 流体流动一般分为两种状态：一是层流状态，轴 向流动；二是紊流状态，既有轴向的运动，又有 剧烈的横向流动。两种不同状态对应速度分布不 同。所以(2-15)是远远不精确的,用如下公式： 1 D 2 QM vt • （2-16） K 4
• 2.1.3波束偏移法工作原理 • 超声波束在流体的流动影响下,其波束的方向会发 生偏移，在超声波束与流动方向垂直时,这一偏移 更明显,超声波束方向的偏移,是以接收换能器所接 收的波束强度的差值变化来反映的，即该强度与 流速有关。 • 2.1.4噪音法工作原理 • 噪声法指当流体在管道中流动时，会产生涡流或 紊流等，由于流体产生的剪切作用，会在一定频 率范围内产生超声波，流速与所产生的噪声强度 成比例。这样，通过对噪声的检测就可以得出流 体的流速。
2.1超声波流量计各方法原理
• 2.1.5 旋涡法工作原理 • 漩涡法是利用流体运动时所产生的漩涡来进行测 量的。当流体运动时所产生的漩涡速度几乎与流 体速度相等,超生波束每穿过一个漩涡时,由于漩涡 对声波的折射和反射都使接收器接收到的信号幅 度被调制一次，可根据调制频率而获得流速。 • 2.1.6 相关法测量原理 • 多数流体在管道内的流动是以相关方式运动的紊 流模式存在的。若在管道中相隔一定间距的截面 上观察他们的特性，可知流速剖面之间存在相关 性，相关度是随着间距的减小而增加。
1.1 超声波流量计的国内外发展现状
• 20世纪90年代后，超声波流量计的关键部件－超 声波传感器的性能得到了比较大的进步。 • 进入二十一世纪后，现代数字信号技术等先进技 术在超声波流量计方面成功应用，使得超声波流 量计测量的精确性、稳定性及操作的便利性得到 了充分的体现
1.1 超声波流量计的国内外发展现状
1.2 超声波流量计的特点
超声波流量计一种非接触式仪表，主要特点: • 解决了大管径、大流量及各类明渠、暗渠测量困 难的问题。 • 对介质几乎没要求。可测液体、气体、甚至双向 气体 • 超声波流量计的测量准确度几乎不受被测流体温 度、压力、密度、粘度等参数的影响 • 超声波流量计的测量范围度宽,一般可达20:1
（2-18）
• 其中Re为流体的雷诺系数，用来表征流体流动特 性，管道是圆形时，计算公式如下： vD Re • （2-19） • 管道是圆形时，Re 2320时,流体是层流状态， Re>2320就认为是紊流状态。
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.3 改进时差法的实现难点 • 气体的渡越时间与管道尺寸及声速有密切关系， 管道直径为500mm时，渡越时间在ms数量级， 渡越时间之差在 s数量级甚至可能更低，因此精 确测量渡越时间和渡越时间之差、和非常重要。 • 此方法对渡越时间和渡越时间之差的测量精度要 求非常高，因此如何精确测量它们成为一难点。 • 其中一种方法是将时差法和相关法相结合，使用 相关法能以较高的精度测出渡越时间，并能直接 测出渡越时间之差，排除由相对精度造成的误差， 大大提高运算精度。
• 2.1.1 传播速度差法工作原理 • 根据超声波在流动的流体中,顺流传播的时间与逆 流传播的时间之差与被测流体的流速有关,求出流 速的方法。 • 2.1.2 多普勒法工作原理 • 当发射器和接收器之间有相对运动时,接收器的接 收声频率与发射器的发声频率之差跟两者之间的 相对速度成正比。
2.1超声波流量计各方法原理
•
2.2 时差法超声波流量计
• 2.2.2 改进时差法 • 由于式(2-10)中含有声速c，温度的变化会引起声 速的变化。当管道中的流体温度与管道外的现场 环境温度存在差别较小时，在运算中可以忽略不 计，这时可以通过改进的测量方法和算法，消除 计算公式中的声速，从而简化流体传播速度的计 算。在改进的时差法中对式(2-6)(2-7)进行变形， 得到超声波顺流传播时： • L L c v cos • c v cos （2-11） （2-12） t