超聲波流量計的研究

物理學中的有一種超聲波多普勒效應(yīng)現(xiàn)象, 本文將探討這一物理學現(xiàn)象應(yīng)用于流量的監(jiān)測系統(tǒng)之中。

引言

近年來，隨著人口的增長，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城鎮(zhèn)建設(shè)的迅速發(fā)展，各河流域廢污水排放量呈逐年不斷增加。水質(zhì)超標率也呈上升趨勢；水污染日趨嚴重。特別是隨著經(jīng)濟的發(fā)展很多工業(yè)城市的廢水排放量較大，已造成城市地表水的嚴重污染，給人們的生活健康帶來了巨大的隱患。國家也把政治重點流域的水污染防治列入了“十五”計劃當中，要求各省市加大工作力度，推進污水防治工作。

基于以上情況我們在科普文獻中看到了一種物理學現(xiàn)象即多普勒效應(yīng) Doppler effect 水波的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是為紀念奧地利物理學家及數(shù)學家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于 1842 年首先提出了這一理論。主要內(nèi)容為：物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。這種現(xiàn)象稱之為多普勒效應(yīng)?；诔暥嗥绽招?yīng)，將現(xiàn)代聲學的基礎(chǔ)研究成果與電子技術(shù)相結(jié)合，就可以應(yīng)用到液體的流量計量中。

1.多普勒超聲波流量監(jiān)測系統(tǒng)的原理及系統(tǒng)構(gòu)成

■■1.1 多普勒超聲波流量計的原理

多普勒超聲波流量計是一種高性能非接觸式流量計。該儀表是以超聲波傳播原理測量圓管內(nèi)液體流量的儀表，探頭只需貼裝在管外側(cè)，不與流體直接接觸，其測量過程對管路系統(tǒng)無任何影響，使用非常方便。多普勒超聲波流量計，主要適用于含有固體顆?；螂s質(zhì)的多項流體的計量。

多普勒超聲波流量計以多普勒效應(yīng)為其工作原理，即反射聲源被一個相對運動的介質(zhì)反射時，反射信號與發(fā)射信號的頻率出現(xiàn)差異，這種現(xiàn)象稱之為多普勒效應(yīng)，而這種頻差稱之為多普勒頻差。

如圖 1 所示，兩個專門兒設(shè)計的超聲波探頭安裝于管道外壁。探頭 T 連續(xù)發(fā)射超聲波 Ft, 超聲波以聲速 C 穿過管壁進入流體流速為 v 的流體之中，部分超聲波遇到流體中的顆粒雜質(zhì)等介質(zhì)而發(fā)生反射，頻率為 Fr 的超聲波，由探頭 R 接收。

接收頻率 Fr 發(fā)生多普勒頻移 Fd, 與流體流速成正比。其理論公式為： --- 式中為流體流向與超聲波聲束夾角

整理得

從上式可知通過測量 Fd 便可以得出流速 v，而流量 Q

通過管道截面積 S 得出 :Q=V*S。

■■1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

超聲波流量計分超聲換能器（探頭）與主機兩部分，見

圖 2。

1.2.1 高靈敏度、高分辨率單晶超聲換能器

目前市面上的超聲波流量計大多靈敏度不夠，極易受周圍環(huán)境的干擾。而超聲換能器是超聲檢測系統(tǒng)中的重要組成部分，超聲換能器的性能對超聲檢測的結(jié)果有著重要的影響。

為了保證檢測結(jié)果的一致性和可靠性，靈敏度特性是一個重要的特性參數(shù)。為此我們參考借鑒了醫(yī)用超聲波探頭的制作方法，國內(nèi)超聲波探頭的研制往往落后于電子儀表部分。該方法采用了鋯鈦酸鉛 (PZT) 圓形壓電超聲換能器，超聲換能