超聲波流量計(jì)的組成：超聲波流量計(jì)實(shí)物圖如圖所示，由圖可知超聲波流量計(jì)主要由直管段、流量傳感器、溫度傳感器、計(jì)算儀等部分組成。
流量傳感器如圖中的1，2所1.;，被安裝在管道的一側(cè)。1, 2是一對(duì)配對(duì)一的超聲波換能器，換能器是用來發(fā)射和接收超聲波信號(hào)的，是影響超聲波流量計(jì)測量精度的重要部分。
3,4是對(duì)Pt1000的鉑電阻溫度傳感器，金屬鉑(Pt)的電阻值會(huì)隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為:在400℃時(shí)持續(xù)300小時(shí)，0°C時(shí)的最大溫度漂移為0.020C。在-200~0℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系式為.
R, = R [1+At+Bt'+C(r一100)t3](2.1)在0-850℃的溫度范圍內(nèi)，鉑電阻的阻值與溫度的關(guān)系式為二R,=R} (I+At+Bt')(2.2)式中:R,—在t°C時(shí)的電阻值 Ro—在0°C時(shí)的電阻值按IEC751國際標(biāo)準(zhǔn)，溫度系數(shù)TCR=0.003 851的系數(shù)值如下表所示。
表2.1溫度系數(shù)TCR=0.003851的系數(shù)值
本文選用的溫度傳感器采用不銹鋼外殼封裝，起到保護(hù)溫度傳感器感溫元件的作用，使其不與被測介質(zhì)直接接觸，避免或減少有害介質(zhì)的侵蝕，火焰和氣流的沖刷和輻射，以及機(jī)械損傷，同時(shí)還起著固定和支撐傳感器感溫元件的作用。
5是電子模塊，是超聲波流量計(jì)的核心。通過單片機(jī)和其外圍電子線路模塊控制流量溫度等數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算、處理和顯示。
換能器安裝方式的分類：
超聲波流量計(jì)的流量測量就是通過超聲波換能器發(fā)射和接收超聲波信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。為了適應(yīng)不同管道材料、管徑大小等超聲波換能器的安裝位置有:外夾式、插入式和管段式三種。
圖2.2二種超聲波流量計(jì)
外夾式就是將一對(duì)換能器夾在管壁上，具有即貼即用，安裝時(shí)不斷流的優(yōu)點(diǎn)。
插入式超聲波流量計(jì)由轉(zhuǎn)化器和一對(duì)插入式傳感器組成，插入式傳感器由定位底座、球閥、超聲波傳感器組成，測量時(shí)只需將換能器插入到管道內(nèi)，就完成了安裝，而且這種測量方式超聲波信號(hào)只經(jīng)過被測介質(zhì)，所以測量不受管質(zhì)材料的影響。
管段式超聲波流量計(jì)是將超聲波換能器和測量管道組成一體。其測量精度高，避免了因管道材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良、銹蝕嚴(yán)重、襯里與管道內(nèi)有間隙等原因?qū)е碌某暡ㄐ盘?hào)衰減嚴(yán)重的問題，但是這樣測量方式換能器長期浸泡在流體中會(huì)相應(yīng)縮短了超聲波換能器的使用壽命并且也不易于換能器的更換。
無論是外夾式、插入式還是管段式超聲波流量計(jì)，兩個(gè)換能器探頭的安裝方式都有多種多樣，可以分為對(duì)射式和反射式兩種。反射式又分為:V法、N法、W法和U法反射。
圖2.3對(duì)射式安裝剖面圖
對(duì)射法安裝換能器時(shí)，超聲波信號(hào)是直接從發(fā)射端傳播到接收端，中間沒有經(jīng)過反射和折射，從而信號(hào)的衰減小。對(duì)射式安裝可以測量50~6000的管徑。
圖2.4反射式安裝剖面圖
V法安裝如圖2.4的(a)所示，V法安裝使用方便、測量可靠。V法安裝可以測量25400~的管徑范圍。安裝超聲波換能器時(shí)，要注意兩超聲波換能器要水平對(duì)齊，就是兩換能器的中心線與管道軸線平行。 圖偽)所示的U法安裝，兩換能器安裝在管道的同側(cè)，超聲波信號(hào)從發(fā)射端經(jīng)過兩個(gè)反射鏡的反射三次聲程到達(dá)接收端。由于超聲波信號(hào)要多次反射，為了保證接收端回波信號(hào)的強(qiáng)度所以發(fā)波的驅(qū)動(dòng)電壓要達(dá)到一定的要求。U法安裝通常適合管徑比較小的流量計(jì)。
N法安裝，超聲波信號(hào)穿過流體三次兩次反射到達(dá)接收端，N法安裝延長了聲程，從而提高了測量準(zhǔn)確性。同理，W法安裝也是通過延長聲程提高小流量時(shí)的測量精度。
時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測量原理：
超聲波流量計(jì)的物理性參數(shù)：
1.流量 流量的測量對(duì)象一般是指流經(jīng)管道或溝渠的流體，所以通常講的流量指的是單位時(shí)間內(nèi)通過管道或溝渠某一截面的流動(dòng)介質(zhì)的量，可以用體積流量或質(zhì)量流量來表示。本文的流量用體積流量表征，用Q表示，常用的單位有cm3/s,L/min，或m3zol。
將流經(jīng)管道橫截面的流體分為無窮多個(gè)微小單元，其中某一微小截面的面積用ds表示，流經(jīng)這一微小截面的流體的流速為v,那么在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)這一微小截面的體積流量dQ可以表示為: aQ=v" as (23) 所以，根據(jù)微積分知識(shí)知單位時(shí)間內(nèi)流體通過管道截面的流量Q可通過下式而求出。
Q一腳(2:4) 若流體勻速流動(dòng)，則單位時(shí)間內(nèi)通過管道截面的流量Q可用下式表示: Q=v.S (2.5)
2.雷諾數(shù)：
雷諾數(shù)Re是流體流動(dòng)狀態(tài)的一個(gè)判斷依據(jù)。管道中流體的流動(dòng)可以分為層流和紊流兩種狀態(tài)，層流狀態(tài)是指管內(nèi)流體只有軸向的運(yùn)動(dòng)，而無垂直主流方向的橫向運(yùn)動(dòng);紊流狀態(tài)是指管內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)既有軸向的運(yùn)動(dòng)，也有橫向的運(yùn)動(dòng)。流體的流動(dòng)狀態(tài)不僅與管內(nèi)平均流速有關(guān)，還與流體動(dòng)力粘度和管徑有關(guān)。一般一認(rèn)為R}, = 2000可作為流體從層流狀態(tài)到紊流狀態(tài)的臨界判斷。當(dāng)尺< 2000時(shí)為層流狀態(tài)，當(dāng)R > 2000時(shí)為紊流狀態(tài)。雷諾數(shù)R。的計(jì)算公式見下式:
流體的動(dòng)力粘度是表示流體內(nèi)摩擦力的一個(gè)參數(shù)。不同流體的動(dòng)力粘度也不同，動(dòng)力粘度會(huì)受到溫度和壓力的影響，溫度升高時(shí)，液體動(dòng)力粘度降低，而氣體動(dòng)力粘度則升高。一般，液體的動(dòng)力粘度，只考慮溫度對(duì)其的影響，僅在壓力很高的情況下刁‘考慮壓力對(duì)動(dòng)力粘度的影響。密度也與流體溫度存在一定的關(guān)系，當(dāng)流體是水時(shí)，密度會(huì)隨著水溫的升高而降低。
3.超聲波的聲速 ：
本文采用超聲波傳播的時(shí)差法原理對(duì)流量進(jìn)行測量，那么超聲波的聲速C的準(zhǔn)確性對(duì)超聲波流量計(jì)流量測量的精度有很大的影啊fzzl。超聲波在各種介質(zhì)中的傳播速度各異，溫度對(duì)超聲波聲速的大小也有很大的影響，當(dāng)超聲波在水中傳播時(shí)，不同溫度對(duì)應(yīng)的不同超聲波聲速如卜圖中的散點(diǎn)所示，再用Matl ab根據(jù)幾次函數(shù)關(guān)系擬合出的超聲波聲速C與溫度t的函數(shù)關(guān)系如圖2.5曲線所示。
圖2.5超聲波聲速與溫度的關(guān)系
擬合出的超聲波聲速c與溫度t的函數(shù)關(guān)系可以用(2.7)式表示。C=1409+4.052。t一2.77 x 10-2 .t2(2.7)
2.3.2、對(duì)射式時(shí)差法超聲波流量計(jì)的測量原理：
超聲波信號(hào)在流體中傳播時(shí)載有流體的流速信息，通過檢測穿過流體的超聲波信號(hào)就可以檢測出流體的流速，從而轉(zhuǎn)換成流量。本課題利用超聲波流量測量方法‘護(hù)的時(shí)差法來測量流量，采用對(duì)射法將超聲波換能器管段式安裝在測量管道的兩側(cè)。 對(duì)射式超聲波流量計(jì)流量檢測的原理結(jié)構(gòu)圖如圖2.6所示，換能器1, 2被安裝在管道上下游的兩側(cè)，檢測流量時(shí)，在控制電路作用下:換能器1處于發(fā)射狀態(tài)，換能器2禁止發(fā)射處于接收狀態(tài)，這時(shí)換能器1向換能器2發(fā)射超聲波信號(hào)，換能器2接收到上游超聲波信號(hào)的同時(shí)，將換能器2置成發(fā)射狀態(tài)，換能器1處于接收狀態(tài)，換能器2向換能器1發(fā)射超聲波信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)記錄下超聲波從下游換能器1到下游換能器2的傳播時(shí)間幾和下游換能器2到丘游換能器1的傳播!{寸問不*，山于水流速度的影響，T,i和T,,不相等，存在個(gè)時(shí)間差△T，最終通過△T計(jì)算出流量。
圖2.6時(shí)差法超聲波熱量表原理圖
設(shè)流體流速度為V，超聲波傳播速度為C，超聲波的入射角為e，管道直徑為D，換能器1, 2前端面的距離為L S為管道的橫截面積。則超聲波信號(hào)從上游換能器1到下游換能器2的順流傳播時(shí)間瑞，可以表示為: LC+TCOSB(2.8)超聲波信號(hào)從下游換能器2到上游換能器1的逆流傳播時(shí)間T表示為:
線速度與面速度之差對(duì)流量測量的影響：
由2.3.2節(jié)中介紹的超聲波流量計(jì)的時(shí)差法流量測量原理知，由時(shí)差法導(dǎo)出的超聲波流量計(jì)的流量計(jì)算公式中，所測量和計(jì)算的流體流速均是指沿著超聲波傳播方向上的線平均速度。而體積流量是指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)封閉管道有效橫截面的流體的體積量;也就是說流量計(jì)算公式中的流體流速應(yīng)是流體流經(jīng)的有效截面上的面平均速度。因而利用公式(2.13)計(jì)算出的流量是不能正確反映實(shí)際流量，這兩者之間必然存在一定的誤差。因此，必須用一定的方法對(duì)這一誤差進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)測量的結(jié)果進(jìn)行修正。
在理想條件即管道管壁光滑和有足夠長的直管段下，該誤差可以用流體力學(xué)原理修正，在流體力學(xué)中[24]，線平均速V與面平均速度玲的關(guān)系可以用下式表示:
而K與管道中水流速分布規(guī)律有關(guān)，層流和紊流是管內(nèi)流體流動(dòng)的兩種狀態(tài)。在層流狀態(tài)下，流量修正系數(shù)K是一個(gè)常數(shù);(2.15)4一3 一一 K在紊流狀態(tài)時(shí)，利用了尼庫拉茲(Nikurdse)的摩擦系數(shù)得修正系數(shù)為(2s1.K=1+0.01寸6.25+431Re-0}z3}(2.16) 在流體的流動(dòng)狀態(tài)介于層流和紊流之間時(shí)，用布拉修斯(Blasius )摩擦系數(shù)加以修正，修正系數(shù)K為:K=1一0,01 (2.17) 上述的流體處于不同流動(dòng)狀態(tài)下的流量修正系數(shù)K的計(jì)算公式都是在管壁光滑的圓管段和流量計(jì)安裝時(shí)前后必須保證有足夠長的直管段的理想條件下推導(dǎo)出的。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于制造工藝和安裝條件等的限制，導(dǎo)致實(shí)際環(huán)境與理想條件相差甚遠(yuǎn)，再加上修正公式計(jì)算繁瑣，對(duì)流量計(jì)的運(yùn)算處理單元要求高，因此在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)由于線速度與面速度之差引起的流量誤差的補(bǔ)償方法，在下面的4.6章節(jié)中將介紹實(shí)際應(yīng)中的流量修正方法。
本章小結(jié)：
本章首先概述了超聲波流量計(jì)主要組成部分，并對(duì)各個(gè)組成部分的功能及換能器的安裝方式進(jìn)行了介紹，對(duì)超聲波流量計(jì)用到的物理性參數(shù)進(jìn)行簡要介紹后詳細(xì)敘述了時(shí)差法超聲波流量計(jì)流量測量的原理;還對(duì)時(shí)差法流量測量時(shí)引入的誤差作了簡要的分析，并介紹了理想條件下運(yùn)用流體力學(xué)原理修正流量的計(jì)算方法。
