超声涡街质量流量计的声阻抗测量与在线密度计算方法

一、超声涡街质量流量计与声阻抗测量

超声涡街质量流量计将卡门涡街流量测量与超声检测技术结合起来，不仅可以检测旋涡脱落频率，还可以利用超声波在流体中的传播特性获取介质物性信息。

当流体经过旋涡发生体时，在其下游形成周期性交替脱落的卡门涡街。超声波穿过涡街区域时，接收信号受到周期性调制，通过信号检测可以获得旋涡频率，并进一步计算流速及体积流量。

与此同时，超声波在流体中的传播与介质声阻抗有关。流体声阻抗又与介质密度及声速存在对应关系，因此可以利用超声接收信号研究在线密度测量。

这种测量方法的核心，是通过同一套超声换能器获取涡街频率、超声幅值及传播相位信息，并利用这些参数计算体积流量、密度和质量流量。

二、超声涡街质量流量计的系统结构

采用声阻抗测量方法的超声涡街质量流量计，主要由测量管、旋涡发生体、超声发射换能器、超声接收换能器、振荡器、功率放大器、接收放大器、调谐放大器、信号检测电路和微处理器组成。

在测量管两侧分别安装发射换能器A和接收换能器B，使超声波穿过旋涡发生体下游的涡街区域。

振荡器产生连续电信号，经功率放大器放大后驱动发射换能器。超声波进入测量管，在流体中传播并受到涡街调制，随后到达接收换能器。

接收换能器将超声波转换为电信号，经接收放大和调谐放大后，送入不同的检测通道。

三、连续超声激励与三路信号检测

与采用超声脉冲传播时间测量的方法不同，声阻抗测量方案可以采用连续超声激励，并通过检波、幅值检测和相位检测获取不同测量信息。

1. 涡街频率检测

第一路信号进入检波电路，从超声载波信号中提取由卡门涡街产生的周期性调制信号。

通过检测调制频率，可以获得旋涡脱落频率f。

在仪表适用的流动范围内，旋涡频率与流速之间存在相应关系，因此可以根据标定结果计算流速和工况体积流量。

2. 超声幅值检测

第二路信号进入幅值检测电路，用于获取接收超声信号的幅值信息。

在激励条件和换能器特性确定时，接收信号幅值与接收声能存在对应关系。

超声信号在流体中的传播受到流体声阻抗、传播衰减和换能器特性的共同影响，因此可以在建立相应模型并完成标定后，利用幅值信息参与声阻抗计算。

需要注意，接收电压幅值不等于声能，两者之间还需要考虑换能器灵敏度、放大器增益和相应转换关系。

3. 超声相位检测

第三路信号进入相位检测电路，将接收超声信号与发射参考信号进行比较，获得相位差。

超声波在流体中的传播会产生相位延迟，相位差与传播距离、超声频率及传播速度有关。

因此，在传播路径和激励频率已知的条件下，可以利用相位信息推算声速。

连续波相位测量存在周期模糊问题，实际系统需要通过适当的测量范围、标定或其他判别方法确定正确的传播相位。

四、什么是流体声阻抗？

声阻抗是描述介质声学特性的重要参数。

对于平面行波条件下的流体，特性声阻抗可以表示为：

Zf = ρc

式中：

由此可见，流体声阻抗等于流体密度与声速的乘积。

将公式整理，可以得到：

ρ = Zf / c

这说明，如果能够获得流体声阻抗和声速，就可以进一步计算流体密度。

声阻抗测量方法的关键，是通过超声接收信号建立与流体声阻抗之间的定量关系。

五、超声接收声能与声阻抗的关系

超声波从发射换能器进入流体，在传播过程中受到介质声阻抗、传播衰减以及换能器声学特性的影响。

在特定换能器结构和声学模型下，接收声能可以表示为：

e0 = [4ZfZT / (Zf + ZT)²] × e-mL/2 × ETN × √(RRAT / (RTAR))

其中：

上述表达式表明，接收声能不仅与流体声阻抗有关，还与换能器声阻抗、激励电压、传播衰减、换能器效率及有效面积等参数有关。

因此，声阻抗不能直接由一个未经标定的接收电压值获得，需要建立相应的测量模型并确定系统参数。

六、声阻抗测量公式的简化

在特定超声换能器和气体测量条件下，换能器声阻抗可能远大于被测气体的声阻抗。

即：

ZT ≫ Zf

此时，声阻抗传递项可以近似简化：

4ZfZT / (Zf + ZT)² ≈ 4Zf / ZT

因此，接收声能关系可以写为：

e0 ≈ (4Zf/ZT) × e-mL/2 × ETN × √(RRAT / (RTAR))

如果换能器特性固定，并保持发射电压及有关电路参数稳定，可以将部分固定参数合并。

定义系统系数：

W = (4/ZT) × ETN × √(RRAT / (RTAR))

则接收声能关系可以简化为：

e0 = Zf × e-mL/2 × W

其中，W为由换能器及激励条件决定的组合系数。

如果传播距离固定，并且超声衰减因子在所考虑的工况范围内变化较小，可以定义：

u = e-mL/2

从而得到：

e0 = ZfuW

这一简化关系为通过接收超声信号估算流体声阻抗提供了计算基础。

但u能否视为常数，取决于介质吸收特性、温度、压力、超声频率及实际传播条件。对于变化明显的工况，需要重新评估这一近似。

七、利用声阻抗计算在线密度

根据接收声能与声阻抗的简化关系：

e0 = ZfuW

可以得到：

Zf = e0 / (uW)

又因为流体特性声阻抗为：

Zf = ρc

因此：

ρ = e0 / (cuW)

对于能够准确获得超声传播时间t，且声速满足c=L/t的测量条件，可以进一步整理为：

ρ = e0t / (uWL)

式中：

从计算关系可以看出，在系统系数经过标定且保持有效的条件下，接收声能与传播时间可以用于估算流体密度。

这种密度测量方法不是简单根据超声幅值直接读取密度，而是通过声阻抗模型、声速测量和系统标定共同实现。

实际采用连续超声激励时，传播时间可以通过适当的相位测量和解模糊方法获得，但不能仅根据一个相位差数值直接确定唯一传播时间。

八、超声涡街质量流量的计算

通过检测卡门涡街频率，可以根据仪表标定关系获得流体流速。

对于测量管有效流通截面积A，工况体积流量为：

qv = Av

质量流量与工况体积流量及密度之间的关系为：

qm = ρqv

将声阻抗密度计算关系代入，可以得到：

qm = [e0 / (cuW)]qv

在传播时间关系适用时，还可以表示为：

qm = [e0t / (uWL)]qv

由此可以将整个测量过程分成三个部分：

涡街频率检测：获得旋涡频率，计算流速和工况体积流量。

声学参数检测：利用超声幅值、相位及系统标定参数估算声阻抗和密度。

质量流量计算：将工况密度与工况体积流量相乘，获得瞬时质量流量。

对瞬时质量流量随时间进行积分，还可以获得累计质量。

九、声阻抗法与声速物性法的区别

超声涡街质量流量测量可以采用不同的密度获取方式。

声速物性法主要利用声速与已知气体物性参数之间的关系推算密度；声阻抗法则尝试利用超声接收能量与流体声阻抗之间的关系计算密度。

两种方法都利用卡门涡街获得流量信息，但密度计算依据不同。

实际选择哪一种方案，需要根据介质条件、测量准确度要求、换能器性能及系统标定能力确定。

十、声阻抗在线密度测量的技术特点

1. 同时获取流量和声学信息

超声换能器不仅用于检测涡街频率，还能够提供幅值和相位等信息，使一套检测系统具有多参数测量的可能性。

2. 可以建立在线密度计算模型

在系统参数经过标定的条件下，可以利用接收声能和声速估算介质密度，为在线质量流量计算提供数据。

3. 可以减少对固定密度换算的依赖

与直接输入固定密度进行质量流量换算相比，声阻抗测量方案尝试通过实际声学响应获取工况密度变化信息。

但能否准确反映密度变化，取决于声学模型、衰减修正及实际标定结果。

4. 适合开展多参数融合测量

涡街频率、超声幅值和相位分别包含不同测量信息，可以在微处理器中进行综合计算。

这种结构为流速、体积流量、声速、密度及质量流量的联合测量提供了技术基础。

十一、声阻抗法的工程应用限制

1. 接收信号幅值受到多种因素影响

接收信号幅值不仅与流体声阻抗有关，还受到换能器耦合、安装结构、驱动电压、接收增益及传播衰减等因素影响。

因此，不能将未经修正的接收电压直接作为密度测量值。

2. 超声衰减因子可能随工况变化

超声衰减与介质组成、温度、压力、超声频率及传播路径有关。

如果将衰减因子u视为固定常数，需要通过实验确认其在规定测量范围内的稳定性。

3. 声阻抗近似需要满足适用条件

简化计算采用换能器声阻抗远大于流体声阻抗的近似条件。

当介质或换能器条件不满足该假设时，需要使用更完整的声学模型，不能直接采用简化公式。

4. 连续波相位检测存在周期模糊

连续超声波的相位差通常只能反映相位在一个周期内的变化。

为了获得实际传播时间，需要解决相位周期模糊，并考虑电子延迟及流动速度的影响。

5. 需要进行系统标定

实际仪表需要确定换能器效率、声能转换关系、衰减因子及系统组合系数。

对于不同介质、温度和压力范围，应通过实验验证密度计算模型的适用性。

仅凭理论公式不能直接确定仪表的测量准确度或量程比。

十二、超声涡街声阻抗测量常见问题FAQ

超声涡街流量计为什么可以用于密度测量？

因为流体特性声阻抗与密度和声速之间存在Zf=ρc的关系。如果能够通过经过标定的超声测量系统获得声阻抗及声速，就可以进一步计算密度。

声阻抗和声速有什么区别？

声速表示超声波在介质中的传播速度，声阻抗则反映介质的声学特性。对于平面行波，流体特性声阻抗等于密度与声速的乘积。

为什么需要检测超声幅值？

因为接收超声信号的幅值包含与声能传递有关的信息。在确定换能器及电路转换关系后，可以用于建立声阻抗测量模型。

为什么还需要相位检测？

相位检测用于获取超声传播延迟相关信息。结合传播距离、超声频率和相位解模糊方法，可以进一步估算声速。

声阻抗法是否需要温度和压力补偿？

不能简单认定完全不需要。虽然声阻抗法尝试直接获取与工况密度有关的声学信息，但温度、压力和介质组成仍可能影响超声衰减、换能器响应及测量模型，因此需要根据实际工况进行修正或标定。

声阻抗法能否直接达到较高测量精度？

不能仅凭理论关系确定准确度。系统需要通过声学标定、密度标定及流量标定，验证不同工况下的测量误差和稳定性。

声阻抗法能够同时测量哪些参数？

在相应信号处理及标定模型成立的条件下，可以获得涡街频率、流速、体积流量、声速、工况密度、瞬时质量流量和累计质量等参数。

十三、总结

超声涡街质量流量计的声阻抗测量方法，将卡门涡街频率检测与超声幅值、相位测量结合起来，为在线密度和质量流量测量提供了一种技术路线。

通过涡街调制频率可以计算流速及工况体积流量，通过超声接收声能、传播特性及声阻抗模型可以估算工况密度，再根据质量流量与体积流量之间的关系计算质量流量。

这种方法的关键不只是增加超声检测电路，而是建立稳定可靠的声学测量模型，并通过实验确定换能器特性、衰减因子及系统标定系数。

在满足相应模型条件并完成测量性能验证后，超声涡街与声阻抗测量技术可以为工业流量测量提供流量与介质物性参数相结合的多参数测量方案。