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技术文章

超声波技术在工业测量中的应用


 

超声波技术在工业测量中的应用

 

 

1 引言

  超声波技术的声学特性早已为人们所认识。但是,把超声波技术运用到工业测量中,则是近一、二十年来,随着微电脑及电子技术的发展,对超声波信号发射、捕捉及处理手段的日益完善才得以实现的。目前,超声波物位计和超声波流量计已被广泛使用。

2 超声波的声学特性

 超声波是指频率超过20kHz的声波。为了充分认识超声仪表,有必要了解其相关的特性。

(1)声速特性

  超声波可以在固体、液体和气体中以不同的速度进行传播,其速度受介质温度、压力等因素的影响,但在相同外部环境下,超声波在同一介质中的传播速度是一常数。这是所有超声仪表进行测量的基础。

(2)反射特性

  超声波从一种介质进入另一种介质时,由于两种介质密度不同,因而在两种介质分界面,其方向传播会发生改变:其中一部分折射入另一种介质,另一部分被反射回来。

  当超声波以气体传播到固体或液体时,由于两种介质密度相差悬殊,声波几乎全部被反射,超声波物位计充分利用了这一特性。

  当超声波以固体传播到液体(或反过来)时,声波因为传播的介质密度相近而几乎全部折射,超声波流量计则利用了这一特性。

(3)衰减特性

  超声波在传播过程中,由于受介质和介质中杂质的阻碍或吸收,其强度会产生衰减。不论是超声波流量计还是超声波物位计,对所接受的声波强度都有一定要求,所以都要对各种衰减进行抑制。

3 超声波流量计及其应用概况

3.1两类超声波流量计

  目前应用于工业测量的超声波流量计主要有两类,即多谱勒式超声波流量计和时差式超声波流量计。它们都采用了现代高精技术来处理超声波信号,都应用了超声波的相关声学特性,但其工作原理及应用场合等方面仍有很大不同,如表1所示。

3.2两类超声波流量计测量原理

表1为了正确选型和合理使用超声波流量计,并且对实际应用中出现的问题进行分析、总结和解决,需要了解两类仪表的工作原理。

(1)多谱勒超声波流量计

  两个探头对称地装在待测流体管路两侧,发射探头发射频率为f1的超声波信号,经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后,频率发生偏移,以f2的频率反射到接收探头,这就是多谱勒效应,f2与fl之差即为多谱勒频移fd。

设流体流速为v,超声波声速为c,多谱勒频移fd正比于流体流速v:

即:fd=f2-f1=

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