超聲波流量計(jì)的工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

流量測(cè)量涉及確定在特定時(shí)間通過容器的指定表面積的流體量。與所有形式的測(cè)量一樣，它具有日常生活應(yīng)用，從用于監(jiān)測(cè)水和氣體消耗以進(jìn)行賬單估算，到更關(guān)鍵的工業(yè)應(yīng)用（例如，多種化學(xué)品的大規(guī)模混合），其中流速測(cè)量在維持流量方面起著關(guān)鍵作用。過程/產(chǎn)品的質(zhì)量。

為了確定流量，使用稱為流量計(jì)的特殊類型的儀表。由于流量測(cè)量的不同要求（線性/非線性，質(zhì)量/體積率等），有許多不同類型的流量計(jì)。儀表根據(jù)不同的因素而有所不同，包括：他們應(yīng)用的測(cè)量技術(shù)、他們監(jiān)控的具體流量參數(shù)、他們可以跟蹤的流體體積，以及他們的物理屬性等等。

流量計(jì)的一些類型/類別包括：渦輪、渦流、熱質(zhì)量、磁、橢圓齒輪、槳輪、科里奧利、質(zhì)量流量、低流量和超聲波流量計(jì)，這是本文的重點(diǎn)。超聲波流量計(jì)提供了一種非侵入性、非常可靠的方法來(lái)確定流過容器的流體量，它們已在從石油和天然氣到公用事業(yè)供應(yīng)商的不同行業(yè)中找到應(yīng)用。

在本文中，我們將研究超聲波流量計(jì)的所有內(nèi)容，它們的工作原理、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

超聲波流量計(jì)

顧名思義，超聲波流量計(jì)是應(yīng)用廣泛的流量計(jì)之一，它是一種非侵入式設(shè)備，通過超聲波測(cè)量流體的速度來(lái)計(jì)算流體的體積流量。它幾乎可以測(cè)量聲波可以傳播的任何流體中的流體流量。這種類型的流量計(jì)通常被認(rèn)為是“混合”的，因?yàn)樗梢允褂枚嗥绽赵砘騻鬏敃r(shí)間方法來(lái)測(cè)量流量，我們將在本文后面討論這兩種原理。請(qǐng)注意，如果這些流量計(jì)使用多普勒原理運(yùn)行，它們也稱為多普勒流量計(jì)。

超聲波流量計(jì)最適合需要低壓降、低維護(hù)和化學(xué)相容性的水應(yīng)用。它們通常不適用于飲用水或蒸餾水，但適用于廢水應(yīng)用或?qū)щ娕K液體。它們與磨蝕性和腐蝕性液體一起使用，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)阻礙液體流過管道。

超聲波流量計(jì)的工作原理

超聲波流量計(jì)使用回聲原理和不同介質(zhì)中聲速的變化來(lái)測(cè)量流量。儀表通常包含兩個(gè)超聲波換能器，一個(gè)用作發(fā)射器，另一個(gè)用作接收器。兩個(gè)換能器可以并排安裝，也可以彼此成一定角度安裝在容器的相對(duì)兩側(cè)。發(fā)射換能器從傳感器表面向流體發(fā)射聲脈沖，并由指定為接收器的換能器接收。然后估計(jì)聲脈沖從發(fā)射器傳播到接收器所花費(fèi)的時(shí)間（稱為傳輸時(shí)間），并將其用于確定流速和其他參數(shù)。

對(duì)于第二種配置，發(fā)射器和接收器并排放置，發(fā)射器發(fā)射聲音脈沖，而接收器監(jiān)控接收傳輸回波所需的時(shí)間。

無(wú)論傳感器配置如何，通過時(shí)間差的測(cè)量都是基于以下事實(shí)：在介質(zhì)流動(dòng)方向上傳播的聲波比在介質(zhì)流動(dòng)方向上傳播的聲波移動(dòng)得更快。因此，傳輸時(shí)間的差異與介質(zhì)的流速成正比，這一原理用于精確測(cè)量氣體和液體的體積，也可用于導(dǎo)出密度和粘度。

雖然上述兩種方法是非常常用的方法，但不同的超聲波流量計(jì)會(huì)根據(jù)液體的類型和要進(jìn)行的測(cè)量使用這種方法的修改版本。下面的超聲波水表圖像說(shuō)明了上游和下游傳感器如何與一些反射器一起放置在傳感器管道內(nèi)，以用于水流量計(jì)設(shè)計(jì)。還顯示了相同的實(shí)際硬件設(shè)置，并標(biāo)記了兩個(gè)傳感器。

使用超聲波流量傳感器計(jì)算流量

為了更清楚地了解這背后的技術(shù)細(xì)節(jié)，請(qǐng)考慮下圖，該圖具有第一種配置，發(fā)射器 （TA） 和接收器 （TB） 傳感器以彼此相對(duì)的角度安裝；

設(shè)聲波從發(fā)射器傳播到接收器所需的時(shí)間，即在介質(zhì)的流動(dòng)方向上為 T A –B，以及它從接收換能器移動(dòng)到發(fā)射換能器所需的時(shí)間，即逆流向 T B –A。

兩次通過時(shí)間的差異與介質(zhì)的平均流速 v m成正比，即；

T B –A – T A –B = v m ------------- 公式 1

由于信號(hào)的傳輸時(shí)間是發(fā)射換能器和接收發(fā)射器之間的距離除以聲信號(hào)從一個(gè)換能器傳播到另一個(gè)換能器所需的速度，我們有

T A –B = L / （C AB + v*cosα） -------------- 公式 2

和;

T B –A = L / （C BA – v*cos α） --------------- 公式 3

等式 2 和 3 定義了上游傳感器 A 和下游傳感器 B 之間的流速。在哪里;

v = 介質(zhì)的流速，L = 聲學(xué)路徑的長(zhǎng)度，c = 介質(zhì)中的聲速，α“α”是超聲波從發(fā)射器傳播到接收器時(shí)與管道的角度。

假設(shè)介質(zhì)中的聲速是恒定的（即流體密度、溫度等參數(shù)沒有變化），我們有；

（L / （2 * cos）） * （T B–A – T A–B ） / （T B–A x T A–B ）

將平均速度乘以管道的橫截面積，我們得到流量 Q 為；

Q = （π * D 3 ） / （4 * sin 2α） * （T B–A – T A–B ） / （T B–A x T A–B ）

對(duì)于直徑為 D 的在線超聲波流量計(jì)，管道的橫截面積是恒定的

。這些方程的實(shí)施沒有密度、溫度、壓力、聲速和其他介質(zhì)/流體定義的特性等變量，展示了原因超聲波流量計(jì)的多功能性和準(zhǔn)確性的背后。

超聲波儀表的優(yōu)點(diǎn)/意義

超聲波流量計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)必須是它們的非侵入性以及它們與任何類型的流體一起工作的能力（因?yàn)榱黧w中的密度和聲速并不重要）。每天通過管道系統(tǒng)運(yùn)輸和分配具有不同特性的各種物質(zhì)（包括化學(xué)品、溶劑、油等），需要對(duì)其流量進(jìn)行監(jiān)控。超聲波流量計(jì)的非侵入性特性使其成為此類情況下的 goto 流量計(jì)。這就是為什么它們?cè)诓煌墓I(yè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，從化學(xué)相關(guān)行業(yè)到食品加工、水處理以及石油和天然氣行業(yè)。

缺點(diǎn)

超聲波流量計(jì)的主要缺點(diǎn)必須是它們的價(jià)格。由于其設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，超聲波流量計(jì)通常比機(jī)械或其他類型的流量計(jì)更昂貴，因?yàn)樗鼈冃枰嗟呐徒M件，

除了設(shè)計(jì)復(fù)雜性和成本之外，與大多數(shù)其他類型的儀表相比，超聲波流量計(jì)還需要一定水平的安裝/處理專業(yè)知識(shí)。