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2020/4/29 15:18

傳感智庫丨聲學多普勒流量計的技術原理簡析

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聲學多普勒流量計是在傳統測流方法上發展改進的一種新型測流儀器,因其測量精度高、測流范圍廣等優點,在水資源監測、城市排水排污監測等流量監測場景中得到了越來越廣泛的應用。

聲學多普勒流量計測量原理

超聲波多普勒流量計的測量原理是利用了物理學中的多普勒效應,當聲源和觀察者之間有相對運動時,觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發出的頻率。這個因相對運動而產生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比。在超聲波多普勒流量測量方法中,超聲波發射器為一固定聲源,隨流體一起運動的固體顆粒起與聲源存在相對運動,它把接收到的超聲波部分反射回與超聲波發射器一起布設的超聲波接收器。由于流體中固體顆粒運動產生了多普勒效應,發射的聲波與接收的聲波之間存在頻率差,此頻率差正比于顆粒物所在位置的流體流速,所以測量頻差可以求得流速。因斷面內流速分布不均,傳感器分布式布設的原理是在斷面的不同位置分別布設測速探頭,盡可能測量到不同位置的代表性流速,通過科學的算法獲得斷面的平均流速,相對單一測速探頭起到提升流量監測精度的作用。

超聲波多普勒流量測量的必要條件是:被測流體介質應是含有一定數量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質。這個工作條件成為它測量天然水體或者高含各種顆粒物和復雜成份的城市排水、污水等水體的一大優點,解決了傳統流量計難以解決的問題,并在準確性、穩定性,實時性上有了質的飛躍。目前,超聲波多普勒流量計正日益得到廣泛應用。

技術特點

聲學多普勒流量計尤其適用于濁度大于20mg/L的流體流量測量,同系列產品也可應用于固液兩相流的流量測量。具有微功耗、高精度、寬量程、高穩定性等特點,操作簡便,可同時檢測流量、流速、水位、水溫、剩余電量、電壓等多種參數。與其它常規類型流量計或其它超聲波流量計相比,具有高精度、高可靠性、高性能、價格適中等顯著特點,具體技術特點如下:

斷面流速測量:超聲波探頭的測量截面為橢圓形,覆蓋不同縱深的流速,更接近于斷面流速;

測量精度高:選帶傅里葉變換(Zoom-FFT)算法保證測量結果穩定并具有毫米級別的速度分辨率;

結構設計獨特:通過專利保護的結構設計有效防止淤泥堵塞關鍵測量部位,減少流量計的維護;

低功耗設計:嵌入式軟硬件整體低功耗設計、先進的電源管理策略及科學的工作模式切換;

應用場景廣:濁度大于20mg/L的滿管和非滿管流量測量均可,通過選用宏電相關配件可擴展支持淤積監測功能;

防護等級高:IP68防水防塵等級,可滿足各種不同應用場合。

電路異常保護:有過電壓保護、浪涌電壓保護及電源極性反接保護,避免操作失誤引起的電氣損壞;

流速計算

從多普勒流速傳感器(換能器)發射的超聲波束遇到流體中運動著顆;驓馀,再反射回來由多普勒流速傳感器(換能器)接收;發射信號與接收信號的多普勒頻率偏移與流體流速成正比。

其中:u為聲道流速,f1為傳感器工作頻率,δfd為多普勒頻差。

流量計算

聲學多普勒流量計實時采集的流速、水位數據,數據采集處理單元接收到流速、水位數據,計算出瞬時流量,記為Qs;再計算出累計流量,記為Q;其流量可按下式計算:

Qs=AV

式中A為管道過水面積,V為斷面平均流速。

Q= QsT

式中Qs斷面瞬時流量,T為累計時長(單位h)。

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