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超声波流量计的测流原理及其应用

发布时间:15-04-15 17:22分类:技术文章 标签:多普勒法,超声波
利用超声波测量流速、流量的技术,在海洋观测、河流流量测验等各种计量测试中已被广泛应用。利用超声波测量流速、流量的方法是多种多样的,有相位差法、时间差法、射束位移法以及对流速变化较其他方法更为灵敏的多普勒法。
1、多普勒法测量原理
多普勒法测量原理,是依据声波中的多普勒效应,其检测量为漂移频率。换能器发射某一固定频率的声波ft,由于颗粒物的漫反射,换能器接收到被水体中颗粒物散射回来的声波fr,假定颗粒物的运动速度V与水体流速相同,当颗粒物的运动方向接近换能器时,换能器接收到的回波频率比发射波频率高;当颗粒物的运动方向背离换能器时,换能器接收到的回波频率比发射波频率低。如果静止介质中的声速取为C,那么声学多普勒频移,即发射声波频率与回波频率之差fr可表示为:
式中:θ1θ2分别为超声波发射方向、反射方向与水流流动方向的夹角;V为流速。
当C>>V时,有: 在θ1=θ2=θ时,则: 即超声波收发频率之差为:
由此可知,多普勒频移与流速成正比。 2、声学多普勒流速剖面仪
2.1、ADCP(走航式)流量测量原理
ADCP(AcousticDopplerCurrentProfiler)是一种利用声学多普勒原理测量水流速剖面的仪器。ADCP仪器内有罗盘、倾斜计、温度传感器、DGPS接口、换能器(3个或4个)等部件。换能器与ADCP轴线呈一定夹角。每个换能器既是发射器又是接收器,换能器发射的声波能量集中于较窄的范围内,称为声束(类似于手电筒或探照灯发射的光束)。换能器发射某一固定频率的声波,然后接收被水体中颗粒物散射回来的声波。假定颗
粒物的运动速度与水体流速相同,那么声学多普勒频移,即发射声波频率与回波频率之差由下式确定,即:
ADCP每个换能器轴线即为一个声束坐标。每个换能器测量的流速是水流沿其声束坐标方向的速度。任意3个换能器轴线即组成一组相互*立的空间声束坐标系。另外,ADCP自身定义有直角坐标系(局部坐标系)X-Y-Z,Z方向与ADCP轴线方向一致。ADCP首*澳门蒲京赌场手机版,测出沿每一声束坐标的流速分量,然后利用声束坐标与X-Y-Z坐标之间的转换关系(取决于声束角),将声束坐标系下的流速转换为X-Y-Z坐标系下的三维流速,再利用罗盘和倾斜计提供的方向和倾斜数据,将X-Y-Z坐标系下的流速转换为地球坐标系下的流速。
ADCP测量流量时,将测流断面分成若干个子断面,在每个子断面内测量垂线上一点或多点流速并测量水深,从而得到子断面内的平均流速和流量,再将各个子断面的流量叠加,*得到整个断面的流量。在进行断面流量测量过程中,ADCP实际测量的区域为断面的
中部区域,这个区域称为ADCP实测区。而在4个边缘区域内,ADCP不能提供测量数据或有效测量数据。*个区域靠近水面(表层),其厚度大约为ADCP换能器入水深度、ADCP盲区以及单元尺寸一半之和。第二个区域靠近河底(底层),称为“旁瓣”区(河底对声束的干扰区),其厚度取决于ADCP声束角(即换能器与ADCP轴线的夹角)。第三个区域和第四个区域为靠近两侧河岸的区域,因其水深较浅,测量船不能靠近,或者ADCP不能保证在垂线上至少有1个或2个有效测量单元。这4个区域通称为非实测区,其流速和流量需通过实测区数据外延来估算。
2.2、性能比较
根据声信号发射和处理方法,ADCP分为宽带型和窄带型。宽带ADCP与窄带ADCP的区别在于它们采用不同的声信号发射、接收和处理方法。窄带ADCP的声信号发射、接收和处理方法是:对于每一个流速测量,ADCP发射一个单*的、相对讲较长的脉冲声波,然后接受这个脉冲的反射波,并记录发射波与反射波之间的频率改变来计算水体的速度。宽带ADCP的声信号发射、接收和处理方法是:对于每一个流速测量,ADCP发射2组或更多组编码脉冲波,ADCP测量脉冲波组之间的相关系数及相位差,用来计算多普勒频移。
(1)宽带ADCP流速测量短期精度比窄带ADCP高4倍左右。
(2)宽带ADCP流速测量的时间分辨率(或走航测量时的水平空间分辨率)比窄带ADCP高16倍左右。
(3)宽带ADCP盲区较小,垂向空间分辨率较高。
(4)宽带ADCP对水深和含沙量变化的适应性较好。 3、ADCP在测流中的应用
近几年来,ADCP在水文领域已逐步得到推广应用,取得了很大进展。
2001年9月,上海市水文总站在黄浦江松浦大桥水文站测流断面,用1台RDI公司生产的“瑞江”牌600kHz走航式ADCP与传统转子式流速仪进行了25小时连续测量比测,结果表明,两者测量结果吻合很好。
2002年9月18-20日,水利部长江水利委员会与RDI公司联合进行了将ADCP与DGPS、测深仪及电罗经集成的试验。试验选择了位于三峡大坝下游约5km处的黄陵庙水文站测流断面,流量约为11000m3/s,河宽约为400m,河床*深处为53m,含沙量约为0.5kg/m3。试验采用了4台RDI公司的ADCP仪器。试验结果表明,采用DGPS、测深仪及电罗经数据得到的流量与底跟踪得到的流量吻合很好,满足测流精度,试验取得了成功。这是国内首次将DGPS、测深仪及电罗经同时与ADCP集成,从而解决了ADCP在洪水期使用时遇到的高含沙量水流、河底存在推移质运动以及磁罗盘受铁壳船干扰等问题。
在1997年三峡工程大江截流和2002年11月6日三峡工程明渠截流中,也使用了ADCP进行流量测量,并取得了圆满成功。
由于ADCP测量方法的优越性明显高于传统的测量方法,ADCP将在各领域越来越多地得以应用。

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摘要:本文阐述了超声波流量计常用的时差法、多普勒法的测流原理,以及超声波流量计的分类。通过实际测流应用并与流速仪所测的流量结果做了对比分析,得出超声波流量计无论在测流准确度还是在测流精度上都比其它的测流设备高,而且具有其它测流设备所不具备的实时在线和数据远传的优越性能。关键词:超声波流量计;时差法;多普勒;测流1引言近几年来,随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展,利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理,适用于不同场合的各种形式的超声波流量计已相继出现,其应用领域涉及到工农业、水利、水电等部门,正日趋成为测流工作的首选工具。2超声波流量计的测量原理超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速,从而测出流量;多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。2.1时差法测量原理时差法测量流体流量的原理如图1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。

图1超声波流量计测流原理图

设静止流体中声速为c,流体流动速度为v,把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角,换能器的距离为L。从P1到P2顺流发射时,声波传播时间t1为:从P2到P1逆流发射时,声波的传播时间t2为:一般c>>v,则时差为:单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。大型渠道水面宽、水深大,其流速纵横变化也较大,须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值,见图2。应用公式(5)、(6)可测得流量Q。
以上各式中:d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离,为声道数,S为两声道之间的过水断面面积。

图2多声道超声波流量计测流原理图

2.2多普勒法测量原理多普勒法测量原理,是依据声波中的多普勒效应,检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源,随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动,该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速,所以通过测量频率差就可以求得流速,进而可以得到流体流量,如图3。