超聲波流量計技術(shù)概述——多普勒法

  現(xiàn)代測量技術(shù)中，隨著測量介質(zhì)的多樣化和復(fù)雜化，對于測量儀器的精度和可靠性要求越來越高。單一的時差式測量滿足不了越來越復(fù)雜的工業(yè)狀況，于是多普勒成為了另一種有效的解決方案。

  多普勒法超聲波流量計由轉(zhuǎn)換器、檢測器、專用電纜組成，與傳播時間法差法不同，是把超聲發(fā)射器和超聲接收器安裝在測量管段流動方向的同一位置。 如右圖，超聲發(fā)射器發(fā)射出連續(xù)波到流體中時，超聲波會碰到與流速v同速度的微小浮游物（懸浮物質(zhì)或微小氣泡）而被散射。用超聲接收器將此散射后的超聲波信號接收下來。由于發(fā)射信號頻率f1受多普勒效應(yīng)的影響，此時的接收信號f2的頻率會發(fā)生變化，具體的公式可由下式表達(dá)：

                                                                  f2=f1*（c+v*cosβ）/(c-v*cosβ)                                           

式中的c為流體中的聲速，由于c^2>>（v*cosβ）^2,上式也轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/span>

f2=f1*（1+2v*cosβ/c）

將發(fā)射信號頻率和接收信號頻率之差作為多普勒頻率Δf，則有：

Δf=f2-f1=f1*(2v*cosβ/c)

根據(jù)上式，可求得流速v：

v=Δf*c/(2cosβ*f1)

就是流速從與多普勒頻率Δf成正比求得，再將測量流速v轉(zhuǎn)換成平均流速。為此，需要有流量補償系數(shù)k，把流速v，流量補償系數(shù)k和水流截面積A進(jìn)行運算，從而求得流量Q：

Q=kv*A

具體的k值由管道雷諾數(shù)Re的大小決定。（可參考超聲波流量計技術(shù)概況——時間差法）

  多普勒式超聲波流量計存在著它固有的其他流量計沒有的優(yōu)勢，故得以發(fā)展和廣泛推廣。它可以有效測量高濁度的流體和連續(xù)含有微小氣泡的流體,可以測量管徑從6mm到2000mm，測量范圍廣，測量的流體速度范圍則從幾cm/s到約10m/s，可用于大部分原始污水、化工漿液、原油等的測量和處理。

  同時，由于多普勒式超聲流量計的測量原理限制，測量的流體必須有約50mg/L以上的濁度，不能測量清潔的流體；但是流體如果混入太多的氣泡時，往往會使測量產(chǎn)生不穩(wěn)定和漏測；還有原理上是以流體中的固體顆粒或者氣泡的流速來代替流體流速，他們是隨機存在的，傳聲性能也有差別。這些原因都導(dǎo)致多普勒超聲流量計的測量精度略差于時差式，一般等級為2.0級，即2%滿量程誤差（2%F.S.）。