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      超声波流量测量的发展概况和研究进程

      来源:本站 发布时间:2021-06-11
       工业生产和科学实验都离不开对工质数量的了解或对各种物质(原料)配比的控制。为保证产品质量、进行经济核算,对单位时间内物料的输送量(流量)或某段时间内物料的总输送量(累积流量)要计量和控制,并要求能及时地发出反映流量大小的信号。流量测量,不管是以计量为目的,或是用于过程控制,几乎涉及所有的领域。流量测量仪表种类繁多,用超声波来检测流量是其中的一种重要方法。。另外也可以根据超声波在流体中的多普勒效应来求媒质流速,从而根据管径等其它已知参数计算出流体的瞬时流量和累积流量。
       研究利用超声波测量液体和气体流量已经有数十年的历史。1928年法国的O. Rutten研制成功了世界上台超声波流量计,之后美国、意大利等国陆续有人研究,但都限于相位差法,进展不大。1955年,应用声循环法的超声波流量计首先作为航空燃料用流量计获得成功,随后又出现了基于时间差法和波束偏移法的超声波流量计。1958年,A.L. Herdrich等人发明了折射式超声波探头,以消除由于管壁中声波的交混回响而产生的相位失真,为换能器的管道外夹安装提供了理论依据,超声多普勒流量计也在这一时期诞生。1963年,超声波流量计开始由日本的Tokyo Keiki等人引入工业应用,但由于电子线路太复杂而未占有牢固的地位。20世纪70年代后,集成电路技术迅猛发展,高性能锁相技术的出现与应用,使得实用的超声波流量计得以迅速发展。到20世纪90年代初期日本、美国、西欧等地区超声波流量计的销售已占到流量仪表的4%~9%.20世纪90年代中期,超声波流量计世界范围的年销售台数约3.6万台,其中明渠用约占1/3,封闭管道用约占2/3,2/3中传播时间法、多普勒法、组合法分别约占81%、13 %、6%.进入21世纪,Flow Research和Ducker Worldwide的研究报告指出,超声波流量计(不含明渠流量计)2000年的销售达到2.4亿美元,2005年前,超声波流量计的销售还将以年均 15.3%的速度快速增长。

        如今,超声波流量计扮演着越来越重要的角色,在供水、电力、石油、化工、冶金、煤矿、环保、医疗、海洋、河流等各种计量测试中得到广泛的应用,并在一定范围内取代了传统的差压流量计和电磁流量计等设备。
       
        超声波流量计主要由安装在被测管道上的超声换能器(或由换能器测量管段组成的超声流量传感器),后端处理系统,以及连接它们的信号电缆组成。后端处理系统在结构上分为固定盘装式和便携式两大类,以下从不同角度对超声波流量测量方法进行分类。
       
       按测量原理分类:封闭管道用超声波流量测量原理有5种:传播时间法、多普勒效应法、波束偏移法、相关法和噪声法。
       
        按被测介质分类:有气体用和液体用两类。
       
        按换能器安装方式分类:有可移动安装和固定安装(短管式和插入式)。
       
        按声道数分类:有单声道、双声道、四声道以及多声道等类别。
       
        课题研究的超声多普勒流量测量方法自诞生以来,已逐步发展成为超声波流量测量的一个重要方向。超声多普勒流量计适用于测量含有适量能反射超声波信号的颗?;蚱莸囊禾?,如污水、工厂排放液、脏流程液、农业用水、泥浆、矿浆、非净燃油、原油等,除非清洁液体中引入散射体(如气泡)或其流动扰动程度大到能获得反射信号,通常不适用于清洁液体。
       
        与差压流量计和电磁流量计等各种传统的流量测量方法相比,超声多普勒流量测量方法具有以下显著特点:
       
       ?。?)可以将检测元件置于管壁外而不与被测流体直接接触,不破坏流体的流场,没有压力损失;
       
       ?。?)外夹式超声多普勒流量计的安装、检修均不影响管路系统及设备的正常运行;
       
       ?。?)超声多普勒流量测量精度受流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响??;
       
       ?。?)尤其适合替代电磁流量计来测量腐蚀性液体、高粘度液体以及非导电性液体的流量;
       
       ?。?)多声道技术可缩短要求的直管段长度而仍然能保证较高测量精度;
       
       ?。?)可以从厚的金属管道外侧测量管内流体的流速,无需对原有管道进行任何加工,尤其适合应用于大管径、大流量场合。
           相对传统的流量计,超声多普勒流量测量方法特点比较突出,适合多种工况条件和液体类型流量的测量,在工业流量测量中具有广泛的应用前景。近年来,随着电子技术和信息技术的飞速发展,超声波流量测量的技术水平有了很大提高,但研究其非常明显地集中在血流测量等医学领域,超声波工业管道流量测量方面的研究相对较少,且主要集中于时差式流量测量(以天然气流量测量突出),在多普勒方法方面的研究不多,导致现有工业管道用超声多普勒流量计的性能普遍不高,存在以下缺点:
       
       ?。?)不能判断流速方向;
       
       ?。?)低流速测量困难;
       
       ?。?)动态响应速度慢、实时性差;
       
       ?。?)基本误差一般为±(1%~10%)FS,重复性为0.2%~1%,相对时差式超声波流量计、质量流量计、电磁流量计等其它流量计而言精度比较低。

        这些缺点限制了超声多普勒流量计的推广和使用。目前超声多普勒流量计一般只在一些特殊场合下使用,比如便携式测量、明渠流量测量、超大管径流量测量、非满管流量测量等。
       
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