4.86什么叫超声多普勒测速法
多普勒(效应)法USF是利用在静止(固定)点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。
(1)流速方程式
如图5所示,超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波,经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射,散射的超声波产生多普勒频移fd,接收换能器B收到频率为fB 的超声波,其值为
(9)
式中v-散射体运动速度。
多普勒频移fd正比于散射体流动速度
(10)
测量对象确定后,式(10)右边除v外均为常量,移行后得
(11)
(2)流量方程式
多普勒法USF的流量方程式形式上与式(6)相同,只是所测得的流速是各散射体的速度v(代替式中的vm),与载体液体管道平均流速数值并不一致;方程式中流速分布修正系数Kd以代替K0 Kd是散射体的“照射域”在管中心附近的系数;其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数。
(3)液体温度影响的修正
式(11)中又流体声速c,而c是温度的函数,液体温度变化会引起测量误差。
由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级,即在式(11)中的流体声速c用声楔的声速c0取代,以减小用液体声速时的影响。
因为从图6可知cosθ=sinφ,再按斯纳尔定律sinφ/c=sinφ0/c0,式(11)便可得式(12),其中c0/sinφ0可视为常量。
(12)
(4)散射体的影响
实际上多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体,而所测得各散射体速度和载体液体平均流速间的关系也有差别。
其他参量如散射体粒度大小组合与流动时分布状况,散射体流速非轴向分量,声波被散射体衰减程度等均影响频移信号。
优缺点:
USF可作非接触测量。
夹装式换能器USF可无需停流截管安装,只要在既设管道外部安装换能器即可。
这是USF在工业用流量仪表中具有的独特优点,因此可作移动性(即非定点固定安装)测量,适用于管网流动状况评估测定
USF为无流动阻挠测量,无额外压力损失。
流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得的,既可采用干法标定,除带测量管段式外一般不需作实流校验。
USF适用于大型圆形管道和矩形管道,且原理上不受管径限制,其造价基本上与管径无关。
对于大型管道不仅带来方便,可认为在无法实现实流校验的情况下是优先考虑的选择方案。
多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡的液体。
USF可测量非导电性液体,在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。
因易于实行与测试方法(如流速计的速度-面积法,示踪法等)相结合,可解决一些特殊测量问题,如速度分布严重畸变测量,非圆截面管道测量等。
某些传播时间法USF附有测量声波传播时间的功能,即可测量液体声速以判断所测液体类别。
例如,油船泵送油品上岸,可核查所测量的是油品还是仓底水。