用时差法测量超声声速

用超声波流量计测量超声声速
姓名：田田班级：网络（2）班学号：090602231
摘要：在大学物理实验里，我们学习了用共振干涉法和相位比较法测量超声声速，但在工程中运用的是更为精确的时差法测量超声声速。

在此，我们可以使用超声波流量计进行测量。

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。

根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

超声流量计和电磁流量计一样,因仪表流通通道未设置任何阻碍件,均属无阻碍流量计,是适于解决流量测量困难问题的一类流量计,特别在大口径流量测量方面有较突出的优点,近年来它是发展迅速的一类流量计之一。

关键字：时差法，超声声速，超声波流量计
Use ultrasound flowmeter measurement ultrasonic velocity
Name:TianTian class: network (2) class student id: 090602231
Abstract:in university physics experiment, we studied the use is also called the resonant interfering method and phase comparison ultrasonic velocity measurement, but in engineering is the use of more precise time difference method for measuring the ultrasonic velocity. Here, we can use the ultrasonic flowmeter measurements. Ultrasonic flowmeter is through testing the fluid flow of ultrasonic beam (or ultrasonic pulse) role to measure flow meter. According to the principle of signal detection ultrasound flowmeter can be divided into velocity differential method (direct time difference method, the method of time difference, the method of phase difference and frequency offset method), beam migration method, doppler method, cross-correlation method, space filter method and noise method, etc. Ultrasonic flowmeter and electromagnetic flowmeter is same, because instrument circulation channel not set any block up pieces, belong to the unimpeded flowmeter is suitable for solving the flow measurement
difficult problem, especially in big class of flowmeter have prominent runoff measurement of advantages in recent years, it is a kind of flowmeter of rapid development.
Key word : time difference method, ultrasonic velocity, ultrasonic flowmeter
超声波是频率大于20KHz 的机械波，它的频率高于可闻波而波长小于可闻波，并且，它具有如下特性：束射特性、吸收特性、能量传递特性和声压特性。

因此，超声波的应用非常广泛。

如超声检测，超声处理等。

超声波的波长比一般波长要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明的物质，这一特性被广泛运用到超声波探伤、测厚、测距、遥控、和超声波成像技术。

超声处理是利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可以进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等。

此外，超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子个子电度间的运输过程，并在宏观上表现出对声波的吸收，通过物质对超声波的吸收规律可探索物质的特性和结构，在这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。

1超声波流量计的原理和使用
超声波流量计是从本世纪初发展起来的新型流量测量仪表，由于其具有压损小、适合大口径测量、通用性好、安装维修方便等优点，自问世以来，日益得到工业各界的广泛关注。

时差法超声波流量计是由超声波换能器、电子转化路线、流量显示累记系统3部分组成。

它利用超声波在横向传过流动的液体时，在其顺流和逆流介质中，其超声波的速度有差异而形成速度差（时间差）。

时差法超声波流量计就是利用该原理对流体的流速和流量进行测量的，其测量原理如下： 测量原理图如图（1）：TransducerA ，B ——超声波换能器 D ——管外径 d ——管内径1d ——管壁厚度 L ——换能器前端面的距离（理论距离） α——超声波入射角 β——超声波在管材中的折射角 χ——超声波在流体中的折射角
设超声波信号在被测静止流体中的速度为0c ，在管壁中的速度为1c ，流体的流速为u ，则对于顺流和逆流有：
102
111sin *sin 2cos 2τχ
χβ+++=u c L c d t （1） 202
112sin *sin 2cos 2τχ
χβ+-+=u c L c d t （2）
其中1τ、2τ是电路延时。

假设超声波换能器TranscerA 、B 的控制电路延时具有较好的一致性，即21ττ=时，有
χ
χχχsin *sin 2sin *sin 202
0212u c L u c L t t t +--=-=∆ （3） 得到：
22202
sin 4χ
u c uL t -=∆ （4） 在式（4）中22s i n χu 相对20c 是一个非常小的量，
给测量结果带来的误差在510-～410-之间，该项的忽略也不会对整个仪器的精度带来影响。

又χdtg L =2，式（4）转换为：
20
tan 4c ud t χ=
∆ （5） 变换式（5）得： χ
tan 420d c u = （6） 则通过被测管道的流量大小为:
u d Q 42
π= （7）
式（6）是在理想情况下得到的流速计算公式，流速大小仅与被测管道内径大小、超声波在被测流体中的声速、从管壁到被测流体间超声波信号的折射角大小有关。

2超声波流量计的优缺点
超声波流量计是一种非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。

使用超声波流量计不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。

目前的工业流量测量存在着大管径、大流量测量困难的问题，因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不便这些缺点，超声波流量计均可避免。

因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关。

而且超声波流量计也可用于气体测量。

管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m 宽的河流都可适用。

另外，超声波测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。

另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。

超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。

目前我国只能用于测量200℃以下的流体。

另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。

这是因为，一般工业计量中液体的流速常常
是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m／s左右，被测流体流速(流量)变化带给声速的变化量最大也是3
10-数量级．若要求测量流速的准确度为1％，则对声速的测量准确度需为5
10-～6
10-数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现。

3结论
用超声波流量计测量在工业上已经得到广泛的应用，在此，我只是做了定性的分析，但随着集成电路的不断发展，超声波流量计在未来将会运用到更多的领域当中。

参考文献：
【1】廖志敏，等。

超声波流量计的研究和运用
【2】王彦芳，等。

时差法超声波流量计的高精度测量技术
【3】超声波流量计介绍。