澳门新葡萄京官网注册多普勒法测流简介

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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*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。

超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速,从而换算成流量。根据检测的方式,可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种非接触式仪表,适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量比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,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。众所周知,目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题,这是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、安装不仅这些缺点,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,而其它类型的流量计随着口径增加,造价大幅度增加,故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表,多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量,故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中,用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量,比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。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。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展,现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质,不同场合和不同管道条件的流量测量。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%,则对声速的测量准确度需为10-5~10-6数量级,因此必须有完善的测量线路才能实现,这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量,并将其发射到被测流体中,接收器接收到的超声波信号,经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应,采用适出的发射电路把电能加到发射换能器的压电元件上,使其产生超声波振劝。超声波以某一角度射入流体中传播,然后由接收换能器接收,并经压电元件变为电能,以便检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应,而接收换能器则是利用压电效应。超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片,沿厚度振动。薄片直径超过厚度的10倍,以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电元件,使超声波以合适的角度射入到流体中,需把元件故人声楔中,构成换能器整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化,而且要求超声波经声楔后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃,因为它透明,可以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外,某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔材料。超声波流量计的电子线路包括发射、接收、信号处理和显示电路。测得的瞬时流量和累积流量值用数字量或模拟量显示。根据对信号检测的原理,目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括:直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型,如图所示。其中以噪声法原理及结构最简单,便于测量和携带,价格便宜但准确度较低,适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的,故又统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差,准确度较高,所以被广泛采用。按照换能器的配置方法不同,传播速度差拨又分为:Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的,低流速时,灵敏度很低适用性不大.多普勒法是利用声学多普勒原理,通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的,适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。相关法是利用相关技术测量流量,原理上,此法的测量准确度与流体中的声速无关,因而与流体温度,浓度等无关,因而测量准确度高,适用范围广。但相关器价格贵,线路比较复杂。在微处理机普及应用后,这个缺点可以克服。噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理,通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单,设备价格便宜,但准确度低。以上几种方法各有特点,应根据被测流体性质.流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定,故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是:当流体沿管轴平行流动时,选用Z法;当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时,采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时,也可采用多声道(例如双声道或四声道)来克服流速扰动带来的流量测量误差。多普勒法适于测量两相流,可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病,因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展,煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展,都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。(end)

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。

图3多普勒超声波流量计测流原理图

当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时,颗粒接收到的声波频率f1为:
因此,声波接收器和发生器间的多普勒频移Δf为:以上各式中:θ为声波方向与流体流速v之间的夹角,f0为声源的初始声波频率,c为声源在介质中的传播速度。若c>>vcosθ则式(11)、(12)是按单个颗粒考虑时,测得的流体流速和流量。但对于实际含有大量粒群的水流,则应对所有频移信号进行统计处理。超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构,见图4。换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波,这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加,即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。平均多普勒频移Δ-f可以表示为:式中Δ-f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值;ΣNi——产生多普勒频移Δfi的粒子数;Δfi——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。由上可知,该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度,因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流速的部位,才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。

图4多普勒信息窗示意图

3超声波流量计的分类3.1根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计单声道超声波流量计是在被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道,应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便,但这种流量计对流态分布变化适应性差,测量精度不易控制,一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。多声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道,综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比,多声道流量计对流态分布变化适应能力强,测量精度高,可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠。3.2根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计管道流量计一般是指用于有压管道的流量计,其中也包括有压的各种形状断面的涵洞,这种流量计一般是通过一个或多个声道测量流体中的流速,然后求得流量。用于管渠的超声波流量计除了要具有测流速的换能器以外,还需要有测水位的换能器,根据测得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量计一般含有多个测速换能器(由声道数决定)和一个测水位换能器。多数河流超声波流量计仅测流速和水位,而河流的过水流量由用户根据河床断面进行计算。4应用研究结合国家大型灌区信息化建设的研究内容,作者在昌乐县高崖水库灌区的北干渠上布设了4处监测站:其中徐家庙监测站渠底宽7.0m,水深1.0~2.0m,采用5声道明渠超声波流量计监测,见图5。山秦监测站将一段明渠改造为有压管道输水,管径是1.4m,采用单声道管道超声波流量计监测,见图6。在日照水库灌区总干渠上布设了6个测站,其中石咀监测站渠宽4m,水深1.5~2m,采用了多普勒超声波流量计进行监测,见图7。

图7石咀测站多普勒超声波流量计示意图

各测站采用高精度流速仪对所测的瞬时流量进行对比分析。通过比较和个别参数修订,各测站测出的瞬时流量稳定可靠,与流速仪测出的数据有很高的一致性。5结束语超声波测流技术以其测量精度高、实时性好的特点越来越得到重视。但因其价格高、专业性强、维护管理要求高使其应用推广较慢。随着国家对水利投入的加大和节水型社会的建设,该技术设备将很快成为主要测流手段而得到广泛的应用。参考文献〔1〕马树升.灌区水情无线数传实时监控的内容与方法〔J〕.山东农业大学学报,2003,(1):63-65〔2〕
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雷艳,范秀华.梯形渠道多声道超声波测流数学模型及计算方法〔J〕.武汉水利水电大学学报,1997,(1):11-16(end)

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