超声波气体流量计基本原理介绍
超声波流量计工作原理及常见问题概述
超声波流量计工作原理及常见问题概述一、工作原理1、概述超声流量计是一个测量仪表，它利用声学原理来测定流过管道的流体的流速。
在气体的测量现场主要的检测元件包括一对或几对超声传感器。
这些传感器都安装在管壁上，每一组传感器的表面都彼此具有规定的几何关系。
由一个传感器发射的超声脉冲由同一组内另一个传感器接收，反过来也如此。
Q.Sonic-3 采用了一个单反射声道的方案，在对面的管壁处声脉冲有一次反射。
此方案使声道的总长度增加，从而能改善分辨率（灵敏度）并拓宽流量计的范围度，如图2-1所示。
图2-1 信号反射路径2 、流速的测量超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。
当气体不流动时，声脉冲以相同的速度（声速，C）在两个方向上传播。
如果管道中的气体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。
这样，顺流传输时间tD 会短些，而逆流传输时间tU会长些。
这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；这样就有：LtD = ——————— -------------- (2.1)C + V • cos和LtU = ——————— -------------- (2.2)C — V • cos式中，L代表两个传感器之间声道的直线长度，可按下式确定L：L D—— = ———— -------------- (2.3)2 sin^采用电子学手段来测量此传输时间。
根据时间倒数的差，可按下式计算流速V^ L 1 1V = ————(—————)-------(2.4)2cos tD tU一般说来，沿管道横截面的流速并不是一个固定不变的常量。
在流过很长圆管的定常无涡流的流体中，流速仅是径向位置的函数。
通常称此函数为充分发展的速度分布（剖面），可以用如下的半经验幂律公式来近似它：1V(r)=Vmax(1———) n -------------（2.5）R式中，r是在半径上的位置，R是管道的半径，n是雷诺数Re和管内壁粗糙度的函数。
sick超声波流量计的工作原理 -回复
sick超声波流量计的工作原理-回复超声波流量计是一种常用于测量液体或气体流量的仪器，它利用超声波的传播速度和反射特性来实现流量的测量。
本文将一步一步地介绍超声波流量计的工作原理。
第一步：超声波的传播速度基础知识超声波是指频率高于20kHz的声波。
在液体或气体中，超声波可以传播，其速度取决于介质的特性。
一般情况下，超声波在液体中传播的速度约为1500-1600米/秒，在气体中传播的速度约为340米/秒。
第二步：超声波的传播路径超声波流量计通常由两个超声传感器组成，一个作为发送器，一个作为接收器。
发送器将超声波信号发送进管道中的液体或气体，而接收器则接收经过流体后反射回来的超声波信号。
第三步：超声波的传播时间差测量当超声波信号从发送器发出后，它将在流体中以固定的速度向前传播。
如果流体是静止的，则接收器接收到的超声波信号将与发送器发出信号的时间间隔相等。
但是，当流体在管道中流动时，接收器接收到的超声波信号将受到流体速度的影响，传播时间将发生变化。
第四步：多普勒效应的应用为了测量流体的流速，超声流量计利用了多普勒效应。
多普勒效应是当发射源（发送器）和接收源（接收器）相对运动时，频率发生变化的现象。
当超声波信号和流体一同运动时，由于多普勒效应，接收器接收到的超声波信号频率将比发送器发出的信号频率高（对于远离接收器运动的流体而言）。
而对于接近接收器运动的流体，则接收到的超声波信号频率将比发送器发出的信号频率低。
第五步：基于多普勒频移的流速计算通过测量超声波信号的频率变化，可以确定流体的速度。
具体而言，超声流量计通过测量接收器接收到的反射超声波信号的频率相对于发送器发出信号的频率的变化量，来计算流体的速度。
第六步：流量计算通过测量流体速度，结合管道横截面的面积，可以计算出流体的流量。
一般来说，流体流速在管道中的分布是不均匀的，为了获得更准确的流量测量结果，通常使用多径传感器阵列进行流速测量，然后将这些测量结果进行加权平均。
超声波流量计的原理及应用
超声波流量计的原理及应用超声波流量计是一种利用超声波技术来测量流体流量的仪器。
它通过发送超声波脉冲，测量超声波在流体中的传播时间来确定流速，并根据流速和管道截面积计算出流量。
超声波流量计的原理是基于多普勒效应和声速传播原理，广泛应用于工业自动化、环保监测、水利水电、石油化工等领域。
超声波流量计的工作原理主要包括声速传播原理和多普勒效应两部分。
首先是声速传播原理，超声波在流体中传播的速度与流体的流速有关，当超声波沿着流体流动方向传播时，其传播速度会受到流体流速的影响。
根据声速传播原理，测量超声波在流体中传播的时间可以得到流速的信息。
其次是多普勒效应，当超声波遇到流体流动时，因为流体流速的影响导致超声波的频率发生变化，这种变化即为多普勒效应。
通过测量多普勒频移，可以得到流体的流速信息。
超声波流量计的应用范围非常广泛，包括但不限于以下几个方面：一、工业自动化领域在工业生产中，流量是一种重要的工艺参数，对流体的流量进行准确测量是保证工业生产质量的关键。
超声波流量计可以应用于水泥、化工、冶金、造纸等行业，用于测量水、蒸汽、液体或气体等的流量。
其非侵入式的测量方式保证了测量的准确性和稳定性，广泛应用于工业自动化生产中。
二、环保监测领域超声波流量计在环保监测领域也有着重要的应用。
在污水处理厂、水处理设备等环境中，需要对流体的流量进行监测和控制，以保证环境保护的需要。
超声波流量计可以应用于这些领域，通过对流体流速和流量的准确测量，实现对环保设备的高效运行和环境保护的实现。
三、水利水电领域水力发电厂、水库、水泵站等水利水电设施对水流量的监测和管理非常重要。
超声波流量计可以应用于这些领域，用于准确测量水流速和水流量，帮助实现对水资源的合理利用和水利工程的安全运行。
四、石油化工领域在石油化工领域，对流体流量的准确测量是保障生产质量和安全的重要环节。
超声波流量计可以应用于原油、天然气、炼油、化肥等领域，用于测量液体和气体的流量，并实现对生产过程的准确控制。
气体超声波流量计介绍
气体超声波流量计介绍气体超声波流量计是一种利用超声波传感器测量气体流量的仪器。
它基于声速在流体中传播的原理，通过测量超声波在气体中传播的时间差，计算出气体的流速和体积流量。
气体超声波流量计广泛应用于石油化工、冶金、能源、环保等行业中的气体流量测量。
首先，发射端发射一束超声波脉冲信号，这个信号会经过气体中的传播路径，到达接收端。
传播路径可以是垂直于气体流动方向的路径，也可以是与气体流动方向平行的路径。
通常情况下，超声波脉冲信号会沿着一个或多个固定角度发射，以确保波束能够穿过气体流动区域。
接下来，超声波在气体中传播时会受到气体流速的影响。
当气体流速较慢时，超声波传播的时间较短；当气体流速较快时，超声波传播的时间较长。
这是因为超声波的传播速度在气体中是一个常数，而超声波脉冲信号在传播过程中受到气体流速的影响而产生时间差。
通过测量超声波传播的时间差，可以计算出气体的流速。
最后，接收端接收到超声波信号后，将信号转换成电信号，并通过计算器对信号进行处理。
计算器会根据超声波传播的时间差和传感器与气体流动方向之间的夹角，计算出气体的体积流量。
一些高级气体超声波流量计还可以测量气体的温度和压力，以便更精确地计算气体的质量流量。
在气体超声波流量计的设计中，有几个关键的因素需要考虑。
传感器的位置和角度是非常重要的，因为它们直接影响到超声波信号的传播路径和接收效果。
此外，气体流速的范围和压力温度的变化也需要考虑在内。
正常情况下，气体流速的范围应在传感器的可测量范围内，并且传感器应能适应不同温度和压力条件下的工作环境。
气体超声波流量计具有许多优点。
首先，它具有非侵入性测量，不会对流体产生任何压降和泄漏风险。
其次，它的测量精确度高，可以达到±1%的精确度。
此外，气体超声波流量计的响应时间快，可以实时监测流量变化。
最后，它的维护成本低，使用寿命长，在良好的工作环境下可以保持准确的测量性能。
然而，气体超声波流量计也存在一些限制。
超声波流量计 原理
超声波流量计原理
超声波流量计是一种利用超声波传播特性来测量流体流量的仪器。
其原理基于多普勒效应和时间差法。
多普勒效应是指当发射器和接收器相对于被测流体运动时，接收到的超声波频率与发射时的频率之间存在差异。
如果被测流体是静止的，则接收到的频率与发射时相同。
但如果被测流体在某个方向上运动，则接收到的频率会发生变化。
通过测量频率的变化，可以确定流体的流速。
时间差法是指利用超声波在流体中传播的时间差来计算流速。
超声波在传播过程中，若流体是静止的，则发射器和接收器之间的时间差与流速无关。
但如果流体在某个方向上运动，则超声波在流体中传播的时间将会受到影响。
通过测量发射器和接收器之间的时间差，可以计算出流速。
超声波流量计通常由发射器和接收器组成。
发射器将超声波发射到流体中，接收器接收到从流体中反射回来的超声波，并进行频率或时间的测量。
根据测量结果以及流体特性的已知参数，可以计算出流体的流速和流量。
超声流量计的测量原理以及计算方程
超声流量计的测量原理以及计算方程1．基本工作原理超声波流量计的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。
依赖声学多普勒效应，当声源和观察者之间有互相运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。
这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比．在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据．发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产少的声波多普勒频移．由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速．进而可以得到流体的流量．因此，超声波多普勒流量测量的一个必要的条件是：被测流体介质应是含有一定数量能反射声波的固体粒子或气泡等的两相介质．这个工作条件实际上也是它的一大优点，即这种流量测量方法适宜于对两相流的测量，这是其它明渠流量计难以解决的问题．因此，作为一种极有前途的两相流测量方法和电磁流量计，超声波多普勒流量测量方法目前正日益得到应用．2．流量方程假设，超声波波束与流体运动速度的夹角为，超声波传播速度为c，流体中悬浮粒子运动速度与流体流速相同，均为u．现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为例，导出声波多普勒频差与流速的关系式．当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒，该粒子以速度u沿营轴线运动．对超声波发射器而言，该粒子以u cos a的速度离去，所以粒子收到的超声波频率f2应低于发射的超声波频率f1，降低的数值为f2－f1＝－ f1 （3－73）即粒子收到的超声波频率为f2＝f1－ f1 （3－74）式中f1――发射超声波的频率；a――超声波束与管轴线夹角；c――流体中声速。
固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以u cos a 的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f3又一次降低，类似于f2的计算，f3可表示为f3＝f2－ f2 （3－75）将f2的表达式代入上式，可得：f3＝f1（1－ )2 ＝f1（1－2 ＋）（3－76）由于声速c远大于流体速度u，故上式中平方项可以略去，由此可得：f3＝f1（1－2 ）（3－77）接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之差，即多普勒频移 f1，可由下式计算：f＝f1－f3＝f1－f1（1－2 ）＝f1 （3－78）由上式可得流体速度为u＝ f （3－79）体积流量qv可以写成：qv＝uA＝ f （3－80）式中，A为被测管道流通截面积．出以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流量成正比，测量频移 f就可以得到流体流量qv。
气体超声波流量计原理
气体超声波流量计原理
气体超声波流量计是一种使用超声波技术来测量气体流动速度和体积流量的设备。
它通过将超声波传感器安装在流体管道中，利用超声波在气体中传播的特性来实现流量测量。
超声波流量计的原理基于多普勒效应和声速消声理论。
当超声波传感器发送一个高频信号进入流体中时，其中的气体颗粒会对超声波产生频率偏移。
这个频率偏移被称为多普勒频移，它与气体颗粒在流体中的速度成正比。
超声波流量计的传感器能够测量到这个多普勒频移，从而计算出气体的流动速度。
通过将流速与管道横截面积相乘，可以得到气体的体积流量。
为了提高测量的准确性，超声波流量计通常使用双超声波传感器布置在管道的对角位置。
一个传感器作为发送器发送超声波信号，另一个作为接收器接收反射回来的信号。
通过比较两个传感器接收到的信号，可以消除流体中的干扰，获得准确的流速和体积流量测量结果。
除了多普勒频移的测量外，超声波流量计还可以通过测量超声波在气体中传播的时间差来实现流速的测量。
这种方法被称为时间差测量法，它利用超声波在气体中传播的速度很高，可以忽略不计的特点来测量流速。
总之，气体超声波流量计利用超声波在气体中传播的特性，通过测量多普勒频移或时间差来实现气体的流速和体积流量的测
量。
它具有非侵入式、准确性高、无可动部件等优点，广泛应用于石油、化工、能源等行业的流量计量中。
超声波流量计工作原理
超声波流量计工作原理一、超声波流量计工作原理: 超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。
因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。
超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。
当气体不流动时，声脉冲以相同的速度（声速，C）在两个方向上传播。
如果管道中的气体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。
这样，顺流传输时间tD会短些，而逆流传输时间tU会长些。
这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。
起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。
根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。
其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。
由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。
其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。
按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。
波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大．多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。
相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。
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超声波气体流量计基本原理介绍
超声波流量计一般可分为两大类：传播时间式超声波流量计和多普勒超声波流量计。
在含有悬浮粒子的流动流体中，可以利用声学多普勒效应测量多普勒频移来确定媒质流速v，这种方法称为超声波多普勒法。
因为目前市场上的超声气体流量计产品都是传播时间式超声波流量计，所以下文将重点阐述传播时间式超声波流量计的原理。
当超声波在流动的媒质中传播时，相对于固定坐标系统，超声波速度与在静止媒质中的传播速度有所不同，其变化值与媒质流速有关。
因此根据超声波速度的变化量可以求出媒质的流速，传播时间式超声波流量计就是根据这一原理设计而成的。
超声波流量计由两大部分组成：测量变换器部分和电子电路部分。
测量变换器又称为换能器，包括超声波发射器、接收器、声楔以及相应的机械连接组件等。
电子电路包括超声波的发射、接收电路，信号处理电路，流量数据指示或输出电路等。
超声波传播时间法测量流量的原理
时差法是通过测量超声波脉冲顺流和逆流的传播时间差来得到媒质流速的一种方法。
参看图1-1，在管道两侧分别装置有两个收发通用型超声波换能器R 和T,管道中的媒质以速度u向前流动。
Fig.1-1管道内流速断面和超声射线的轨迹
图中的两个换能器在发射、接收状态交替工作，当T 发射R 接收时称为顺流发射状态，反之，R 发射T 接收时称为逆流发射状态。
设顺流发射时超声脉冲的传播时间为1t ，而逆流发射时超声脉冲的传播时间为2t ，则有
⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫+-=++=τθθτθθcos sin /cos sin /2221u c D t u c D t （1-1）
式中，u 为管道中媒质流速，2c 为超声波在静止媒质中的声速，e c l ττ+=1
12；这里1l 为声楔(O-P)或(B-C)之长度，1c 为超声波在管壁中的声速，1
1c l 为超声脉冲通过声楔的时间，e τ为电路延迟时间。
考虑到一般情况下22c >>2u ,根据1-1式可以得到流速的计算公式：
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡+=1222
112sin sin 1t t D c D u θθτ （1-2）
根据1－2式可以得出管道内流体中的声速的计算公式：
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=
12112sin /t t D C θ （1－3） 因为声速和流体的密度成线性关系，所以根据式1-3可以得出流体的质量流量。
直圆管段内流体的特性由流体的雷诺数决定，这是个无纲数（dimensionless ），由流体的流速，管道直径，流体的密度和动态粘度通过计算得出。
通常情况下，被测流体可以分为湍流(turbulent)和层流(laminar)两种管流状况，当流速较高或管壁粘性较小时，流体的质点受惯性力作用较大，质点间相互混杂呈杂乱无章不规则的流动称湍流；流速较低或管壁粘性较大时，流体的粘性所造成的摩擦力作用较大，流体流动的状态是平滑的层状流动，各流层的质点互不混杂且层次分明，这种流动称为层流。
湍流状态的流速以管道轴线为中心呈对数曲线对称分布，而层流状态下流速呈抛物线曲线对称分布。
一般情况下，当雷诺数Re ≥2300时，可以认为已经达到湍流而雷诺数较小时（小于2300）一般为层流。
但这种流场特性会因为管线中存在弯管而扰乱，通常情况下这种扰乱可以描述成在流体的管道轴向流速上叠加了一个和流向成垂直正交关系的称为涡流的流速分量，涡流的强度取决于流体由于类似弯管的作用而产生的扰乱的强度。
这种涡流无疑是对超声流量计的精度产生影响的，从机械安装的角度考虑，可以通过在流量计前加装足够长的直管道解决。
而对于流量计设计本身，可以通过多通道测量的方式，布置交叉的声道或者采用反射型的声道来消除涡流的影响。
使用传播时间法测量流量的技术要点
误差
任何测量都存在误差，传播时间式超声波流量计的测量方法，其测量误差大致可以分为以下几种：
1. 被测介质温度或者浓度的变化引起声速2c 值的相应变化，声速的变化产
生的流速测量误差称为纯温度或纯浓度误差。
2. 双通道参数的不对称，包括双通道换能器参数如机械尺寸、电气特性等
的不对称，被测介质流动状况的不一致以及电子电路的不对称。
这些因
素引起的测量误差称为附加温度误差。
3. 流速断面上实际流速分布与理想流速分布之间的不一致所引起的测量误
差称为流速断面误差。
纯温度和纯浓度误差是超声波流量计的主要固有误差。
如前所述，对于时差法，温度和浓度变化引起的流速测量相对误差为声速相对变化的两倍。
附加温度误差一般分为两类，一类是由换能器参数不对称、电路零点漂移等引起的随机误差，另一类是由电路布线和器件不对称、流速较大时引起声束偏移在顺流和逆流方向的不一致等因素引起的系统误差，前一种可以通过采用单通道和统计平均的方法减小，后一种则需要与后面提到的第三类流速断面误差一起通过修正系数k 实测标定的方法统一消除。
流量计灵敏度的定义是当流体流速变化单位量时，各种方法中所直接测量的
特征量的变化值（特征量就是指时差法中的t ∆），灵敏度分别为u t
∆。
流量计的测量范围就是流速测量的上限和下限的起止范围。
原则上讲，流速的测量范围是从零开始并且没有上限，但是，在实际应用中流量测量范围会受到这样那样的条件的限制，比如声束的漂移以及每种方法的特征量所能达到的最小测量值等等。
在时差法中，流速u 是特征量t ∆的单值函数，因此测量范围理论上没有上限，但是测量范围的下限却受到了限制，这主要是对时差的测量决定的。
如果一个系统可以达到0.01微秒的绝对精度，如果要保证1％的测量精度，测时下限就是1微秒。
当超声波束在管道中反射后由接收换能器接收，按照式(1－2)取︒=45θ，D ＝50毫米，2c =340米·秒1-,则流速测量的下限是u=0.578米·秒1
-。
如果在此基础上，需要进一步提高系统的测量精度，那么可以采用时间扩展法，也就是使超声波顺流和逆流分别发射多次如N 次，再经过统计平均，测量相对精度相应提高N 倍。
同时这种方法还可以使流速测量下限扩展到N 1。
从式(1－2)中可
以看出灵敏度与直径D成正比，与媒质中声速2c平方成反比。
在管道直径增大和测量声速较小的流体时，灵敏度会提高。
噪声
通常情况下，管道上存在振动，这些振动由泵、减压阀等引起，这些振动发射超声噪声，噪声频谱可以延伸至超声换能器的工作频率范围内。
噪声的引入可以是流体感应噪声，或者设备感应噪声，诸如由减压阀所发出的噪声。
后一种类型的干扰噪声更为严重，特别是当这样的减压阀工作于高压差的时候，例如高于10或20bar，在这些条件下，所耗散的能量可以相当大，即使只有非常少的部分被转换成为声能，但还是可能发出非常大的噪声。
由于信号和噪声频率范围一致，在信号被噪声淹没的情况下，传播时间就不能被有效检出，流量计可能不能工作。
通常的解决办法一是在流量计的安装位置上考虑，通过加长管线的方法使流量计尽量远离噪声源，二是应用数字信号处理技术，比如用一些滤波和相关算法。
提高信噪比是研究如何提高流量计性能的主要内容。
工业标准和工业应用
尽管目前发布有AGA N09号报告，ISO发布有TR12765技术文件，我国也制定了相应的GB/T18604标准，但从工业化、标准化应用角度来看，超声流量计要获得工业上的广泛应用，还应当解决以下四个方面问题。
●针对工业流场上游侧不同类型阻力件产生的影响，合理确定不同情
况下流量计上游直管段长度。
●操作压力、温度及气体组分的变化对流量测量影响及校正办法。
●不同雷诺数速度分布剖面修正系数精确确定和流量计主体几何尺寸
误差所带来对精度的影响。
●探头电气特性的稳定性及探头的互换性等。
另外，关于超声流量计标定还没有达到共识。
从超声流量计的结构和测量原理来看，这种速度型流量仪表可以实现“干标”。
这是因为利用目前的测量技术及手段，流量计腔体几何尺寸D、声道长度L和传感器间的轴向长度X是可以获得准确测定的。
如果电子电路和传感器的性能获得准确测量，传感器组件的电气特性稳定并具有可互换性，那么“干标”就可获得实际的应用。
然而，目前仍没有足够技术措施和理论来证明这一点。
当前，在北美、南美、欧洲，供需双方都要求用于贸易计量的超声流量计有足够的测量精度，基于这一点，可信赖的办法还是要标定。