時(shí)差法聲波流量計(jì)的原理

時(shí)差法聲波流量計(jì)（Transit Time Ultrasonic Flowmeter）其工作原理如圖1所示。他是利用一對(duì)聲波換能器相向交替（或同時(shí)）收發(fā)聲波，通過(guò)觀測(cè)聲波在介質(zhì)中的順溜和逆流傳播時(shí)間差來(lái)間接測(cè)量流體的流速，在通過(guò)流速來(lái)計(jì)算流量的一種間接測(cè)量方法。

圖1 時(shí)差法聲波流量測(cè)量原理示意圖

圖1中有兩個(gè)聲波換能器：順流換能器和逆流換能器，兩只換能器分別安裝在流體管線的兩側(cè)并相距距離，管線的內(nèi)直徑為D，聲波行走的路徑長(zhǎng)度為L(zhǎng),聲波順流速度為tu,逆流速度為td,聲波的傳播方向與流體的流動(dòng)方向加角為θ。由于流體流動(dòng)的原因，是聲波順流傳播L長(zhǎng)度的距離所用的時(shí)間比逆流傳播所用的時(shí)間短，其時(shí)間差可用下式表示：

其中：c是聲波在非流動(dòng)介質(zhì)中的聲速，V是流體介質(zhì)的流動(dòng)速度，tu和td之間的差為：

式中X是兩個(gè)換能器在管線方向上的間距。

為了簡(jiǎn)化，我們假設(shè)，流體的流速和聲波在介質(zhì)中的速度相比是個(gè)小量。即：

上式可簡(jiǎn)化為：

也就是流體的流速為：

由此可見，流體的流速與聲波順流和逆流傳播的時(shí)間差成正比。

流量Q可以表示為：

時(shí)差法聲波流量計(jì)的設(shè)計(jì)

圖2是我們?cè)O(shè)計(jì)的聲波流量計(jì)的原理框圖。圖中主要有兩個(gè)聲波發(fā)射單元、一個(gè)時(shí)間測(cè)量單元和一個(gè)控制器。他們共同來(lái)完成聲波的發(fā)射、接受和時(shí)間差的測(cè)量等工作。其他的外圍單元主要是為了測(cè)量?jī)x表的參數(shù)設(shè)定、測(cè)量數(shù)據(jù)的輸出、顯示和傳送等功能，可參考相關(guān)資料，這里不作介紹。

圖2聲波流量計(jì)的電原理框圖