用时差法测量超声声速

1、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

2、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 velocityName:TianTian class: network (2) class student id: 090602231Abstract : in university physics experiment, we studied the use is also called the resonant interfering method and

3、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 ultrason

4、ic 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

5、, 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 measurementdifficu

6、lt 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

7、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

8、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 d1管壁厚度 L

9、 换能器前端面的距离（理论距离） 超声波入射角 超声波在管材中的折射角 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 c0 ，在管壁中的速度为 c1，流体的流速为 u ，则对于顺流和逆流有：t22d1cos2L2sinc0 u*sin2）2d12L2cos t1c1sin1 c0 u* sin 1（1）其中 1、 2 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 1 2 时，有2L22L2sinsin（3）t t2 t1c0 u*sinc0 u*sin得到：4uL2t2（4）t 2 2 2 c0u sin在式（4）中u2 sni 2

10、相对c0 2是一个非常小的量，给测量结果带来的误差在 10 510 4 之间，该项的忽略也不会对整个仪器的精度带来影响。又 L2 dtg ，式（ 4）转换为：5）6）4ud tan2 c0变换式（ 5）得：2 c0 4d tan则通过被测管道的流量大小为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，

11、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

12、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 10 3 数量级若要求测量流速的准确度为 1