超声涡街质量流量计的测量原理与声速测量方法

一、超声涡街质量流量计的工作原理

超声涡街质量流量计是一种将卡门涡街流量测量与超声波检测技术结合起来的流量测量仪表。

当流体经过管道中的旋涡发生体时，在发生体下游形成周期性交替脱落的卡门涡街。旋涡脱落频率与一定流动条件下的流体速度存在对应关系，因此可以通过检测旋涡频率计算流速和工况体积流量。

与采用压电传感器检测旋涡信号的传统涡街流量计不同，超声涡街流量计利用超声波穿过涡街流场时受到的周期性调制来检测旋涡频率。

超声波在流体中的传播还与介质的声学和热力学性质有关，因此通过适当的信号处理，不仅能够提取旋涡脱落频率，还能够获得超声传播时间和声速等参数。

在气体物性参数已知、计算模型适用的条件下，可以利用声速推算气体密度，并与体积流量结合计算质量流量。

超声涡街质量流量计的技术特点，是利用同一组超声换能器获取涡街频率和超声传播信息，为流速、体积流量及质量流量计算提供测量依据。

二、超声涡街流量计的结构组成

采用超声传播时间测量方式的超声涡街质量流量计，主要由测量管、旋涡发生体、超声换能器、脉冲发生电路、接收放大电路、信号检测电路和微处理器组成。

在测量管两侧安装一对超声换能器，分别作为发射器和接收器。两只换能器之间形成穿过流体的超声传播路径。

旋涡发生体安装在测量管内部，超声传播路径经过其下游的涡街区域，使接收到的超声信号包含旋涡调制信息。

三、利用超声波检测卡门涡街频率

当流体流经旋涡发生体时，发生体两侧交替产生旋涡，并沿下游方向传播。

超声波穿过涡街区域时，受到局部流场周期性变化的影响，其接收信号会产生相应调制。

通过对接收信号进行放大、检波和频率检测，可以获得与旋涡脱落相对应的调制频率。

在适用的流动范围内，卡门涡街频率与流速之间可以表示为：

f = St × v / d

式中：

当旋涡发生体结构和流动条件确定时，可以根据测得的旋涡频率计算流速。

对于流通截面积为A的测量管，工况体积流量为：

q_v = Av

其中，q_v为工况体积流量，A为测量管有效流通截面积，v为相应的平均流速。

实际仪表通常通过流量标定确定频率与体积流量之间的关系，以减小旋涡发生体结构、流场条件及仪表制造误差的影响。

四、超声传播时间与声速测量

超声涡街质量流量计除了检测涡街频率，还可以利用超声波在流体中的传播时间计算声速。

测量时，超声发射换能器A产生超声脉冲，超声波穿过被测流体后到达接收换能器B。

假设两个换能器之间的实际超声传播距离为L，传播时间为t，则在忽略流动对传播时间影响的简化条件下，声速为：

c = L / t

例如，超声传播距离为0.10m，测得传播时间为300μs，则：

c = 0.10 / 0.000300 ≈ 333.33m/s

因此，测量超声传播时间并确定实际传播距离，就可以获得声速信息。

需要注意，实际测量中还应考虑电子电路延迟、换能器响应延迟、传播路径及流体运动的影响。

对于存在沿声束方向流速分量的情况，单向传播时间包含流动速度的影响，不能不经修正就直接等同于静止介质中的声速。

五、气体声速与温度、密度的关系

气体中的声速与气体的热力学性质有关。

对于满足相应理想气体近似条件的气体，可以采用以下关系：

c = √(kRT)

对于声速与介质密度之间的关系，还可以利用气体压缩模量进行分析。

在相应物性模型下，声速关系可表示为：

c = √(kS/ρ)

因此，可以将相关关系写为：

c = L/t = √(kRT) = √(kS/ρ)

式中S采用与上述公式相对应的压缩模量定义。对于实际气体，应确认物性模型及参数定义是否适用。

这些关系说明，声速不仅是一项声学参数，还与气体温度和介质物性有关。

因此，测得声速以后，在有关气体参数已知的条件下，可以进一步计算温度或密度。

六、利用声速计算气体温度

对于满足适用模型的气体：

c² = kRT

整理后得到：

T = c² / (kR)

因此，如果气体绝热指数k和比气体常数R已知，就可以通过测得的声速推算气体温度。

这种方式利用气体的声学特性获得温度信息，但计算结果依赖所采用的气体物性模型。

对于组成变化明显的混合气体，绝热指数和比气体常数可能发生变化，因此需要考虑物性参数变化带来的计算误差。

七、利用声速计算气体密度

气体声速与压缩模量及密度之间存在对应关系。

根据：

c² = kS/ρ

可以整理得到：

ρ = kS/c²

式中：

ρ为气体密度，单位kg/m³；k为气体绝热指数；S为相应的气体压缩模量；c为测得的声速。

这表明，在绝热指数和压缩模量已知且适用模型成立时，可以利用声速计算气体密度。

需要特别说明，声速并不能在未知介质物性和状态的情况下唯一确定气体密度。

因此，采用声速法进行密度计算，需要预先确定相应气体的物性参数，并确认这些参数在实际工作条件下具有适用性。

八、超声涡街质量流量的计算方法

质量流量与工况体积流量之间的基本关系为：

q_m = ρq_v

其中：

q_m为质量流量，单位kg/s；ρ为工况密度，单位kg/m³；q_v为工况体积流量，单位m³/s。

超声涡街质量流量计通过旋涡频率测量得到工况体积流量，通过超声传播时间及已知气体物性参数推算密度。

将密度计算关系代入质量流量公式：

q_m = (kS/c²)q_v

在声速可以按照c=L/t计算的条件下，进一步得到：

q_m = (kSt²/L²)q_v

由此可以看出，质量流量计算主要利用两组测量结果：

第一组：旋涡脱落频率，用于计算流速和工况体积流量。

第二组：超声传播时间，用于计算声速，并结合介质物性参数计算密度。

最后通过密度与体积流量的乘积获得质量流量。

九、超声涡街质量流量计的信号处理过程

采用脉冲超声测量方式时，整个信号处理过程可以分为超声发射、接收放大、涡街频率检测、传播时间检测和综合运算五个环节。

1. 超声发射

脉冲发生器产生周期性电脉冲，激励超声发射换能器A。

换能器将电脉冲转换为超声脉冲，使其穿过被测流体。

2. 超声接收与放大

超声波经过涡街流场后到达接收换能器B。

接收换能器将声信号转换为电信号，并由接收放大电路进行处理。

3. 涡街频率检测

接收信号经过峰值检测等处理，提取旋涡引起的周期性调制频率。

微处理器根据涡街频率及仪表标定关系计算流速和工况体积流量。

4. 超声传播时间检测

另一路接收信号经过触发处理，确定超声脉冲到达接收换能器的时刻。

通过比较发射和接收时刻，计算超声传播时间，并根据传播距离获得声速。

5. 微处理器综合运算

微处理器同时获得涡街频率和超声传播时间。

涡街频率用于计算体积流量，传播时间用于计算声速，声速再结合已知物性参数推算密度。

整个计算关系可以概括为：

涡街频率 → 流速 → 工况体积流量

传播时间 → 声速 → 工况密度

工况密度 × 工况体积流量 = 质量流量

十、超声脉冲重复频率的要求

超声涡街流量计采用脉冲信号检测旋涡频率时，需要保证超声脉冲具有足够高的重复频率。

为了能够恢复涡街引起的周期性调制信号，超声脉冲重复频率至少应达到预计最高涡街频率的两倍。

其基本关系为：

f_p ≥ 2f_max

式中：

f_p为超声脉冲重复频率，f_max为预计的最高旋涡脱落频率。

例如，当仪表最高涡街频率为2000Hz时，超声脉冲重复频率至少应达到4000Hz。

这一要求属于基本采样条件。实际电路设计还需要考虑抗干扰、信号处理裕量及频率检测稳定性。

当超声脉冲重复频率足够高时，接收信号经过检测处理，可以形成反映涡街周期性变化的连续调制波形。

十一、超声涡街质量流量计的技术特点

与仅检测旋涡频率的普通涡街流量计相比，超声涡街质量流量计增加了声速测量信息。

这种结构使超声检测系统不仅承担涡街频率检测任务，还能够为介质状态参数计算提供数据。

十二、超声涡街质量流量计的应用限制

1. 气体物性参数必须适用

声速与温度、密度之间的计算关系依赖气体绝热指数、气体常数或压缩模量等参数。

对于组成变化较大的混合气体，固定物性参数可能引入计算误差。

2. 传播时间测量需要较高稳定性

由于超声波在工业测量管中的传播时间通常较短，电子电路需要具备足够的时间检测分辨率和稳定性。

换能器响应延迟、安装误差及电子电路延迟都可能影响声速计算。

3. 需要考虑温度和流动条件变化

声速与介质温度密切相关，涡街频率与流速的关系也受到实际流动条件影响。

因此，需要根据具体测量条件进行适当修正。

4. 测量准确度需要实验验证

超声涡街质量流量测量涉及旋涡频率检测、传播时间检测、介质物性参数和质量流量计算等多个环节。

实际准确度应通过相应标定和实验确定，不能仅根据理论公式推断仪表的最终测量性能。

十三、超声涡街质量流量计常见问题FAQ

超声涡街流量计与普通涡街流量计有什么区别？

两者都利用卡门涡街测量流速。超声涡街流量计利用超声波受到旋涡调制的特性检测涡街频率，并可以进一步测量超声传播时间和声速。

超声涡街流量计怎样测量声速？

通过测量超声波在两个换能器之间的传播时间，并结合实际传播距离计算声速。简化关系为c=L/t，实际应用中还需要考虑流动及电路延迟影响。

超声涡街流量计可以计算气体密度吗？

可以在已知气体绝热指数、压缩模量等参数，并且物性模型适用的条件下，根据声速计算密度。

超声涡街质量流量计如何获得质量流量？

通过涡街频率计算工况体积流量，通过声速及气体物性关系计算密度，再利用q_m=ρq_v获得质量流量。

超声涡街流量计能否不安装温度传感器？

在相关气体物性参数已知且声速模型适用时，可以利用声速推算温度。但实际仪表是否需要独立温度传感器，应根据测量准确度和介质条件确定。

为什么超声脉冲重复频率需要高于涡街频率？

因为需要通过重复发射的超声脉冲对涡街调制信号进行采样。重复频率过低可能无法正确恢复旋涡频率。

声速测量能否完全代替传统温压补偿？

不能一概而论。声速法可以提供额外的介质物性测量信息，但密度计算仍然需要适用的气体物性模型。是否能够减少或替代独立温压测量，需要根据介质组成、测量条件及系统准确度要求确定。

十四、总结

超声涡街质量流量计将卡门涡街流量测量与超声传播时间测量结合起来，通过超声信号检测旋涡频率，同时获得声速信息。

涡街频率用于计算流速和工况体积流量，声速结合已知气体物性参数可用于推算密度，最终通过密度与体积流量的乘积获得质量流量。

这种技术利用一组超声换能器获得多种测量信息，为气体流量测量和质量流量计算提供了一种声学与涡街测量相结合的技术路线。