超聲波技術(shù)在工業(yè)測(cè)量中的應(yīng)用

１ 引言

　　超聲波技術(shù)的聲學(xué)特性早已為人們所認(rèn)識(shí)。但是，把超聲波技術(shù)運(yùn)用到工業(yè)測(cè)量中，則是近一、二十年來(lái)，隨著微電腦及電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超聲波信號(hào)發(fā)射、捕捉及處理手段的日益完善才得以實(shí)現(xiàn)的。目前，超聲波物位計(jì)和超聲波流量計(jì)已被廣泛使用。

２ 超聲波的聲學(xué)特性

　超聲波是指頻率超過(guò)２０ｋＨｚ的聲波。為了充分認(rèn)識(shí)超聲儀表，有必要了解其相關(guān)的特性。

（１）聲速特性

　　超聲波可以在固體、液體和氣體中以不同的速度進(jìn)行傳播，其速度受介質(zhì)溫度、壓力等因素的影響，但在相同外部環(huán)境下，超聲波在同一介質(zhì)中的傳播速度是一常數(shù)。這是所有超聲儀表進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)。

（２）反射特性

　　超聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，由于兩種介質(zhì)密度不同，因而在兩種介質(zhì)分界面，其方向傳播會(huì)發(fā)生改變：其中一部分折射入另一種介質(zhì)，另一部分被反射回來(lái)。

　　當(dāng)超聲波以氣體傳播到固體或液體時(shí)，由于兩種介質(zhì)密度相差懸殊，聲波幾乎全部被反射，超聲波物位計(jì)充分利用了這一特性。

　　當(dāng)超聲波以固體傳播到液體（或反過(guò)來(lái)）時(shí)，聲波因?yàn)閭鞑サ慕橘|(zhì)密度相近而幾乎全部折射，超聲波流量計(jì)則利用了這一特性。

（３）衰減特性

　　超聲波在傳播過(guò)程中，由于受介質(zhì)和介質(zhì)中雜質(zhì)的阻礙或吸收，其強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生衰減。不論是超聲波流量計(jì)還是超聲波物位計(jì)，對(duì)所接受的聲波強(qiáng)度都有一定要求，所以都要對(duì)各種衰減進(jìn)行抑制。

３ 超聲波流量計(jì)及其應(yīng)用概況

３．１兩類超聲波流量計(jì)

　　目前應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量的超聲波流量計(jì)主要有兩類，即多譜勒式超聲波流量計(jì)和時(shí)差式超聲波流量計(jì)。它們都采用了現(xiàn)代高精技術(shù)來(lái)處理超聲波信號(hào)，都應(yīng)用了超聲波的相關(guān)聲學(xué)特性，但其工作原理及應(yīng)用場(chǎng)合等方面仍有很大不同，如表１所示。

３．２兩類超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

表１為了正確選型和合理使用超聲波流量計(jì)，并且對(duì)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析、總結(jié)和解決，需要了解兩類儀表的工作原理。

（１）多譜勒超聲波流量計(jì)

　　兩個(gè)探頭對(duì)稱地裝在待測(cè)流體管路兩側(cè),發(fā)射探頭發(fā)射頻率為ｆ１的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)管道內(nèi)液體中的懸浮顆?；驓馀莺?，頻率發(fā)生偏移，以ｆ２的頻率反射到接收探頭，這就是多譜勒效應(yīng)，ｆ２與ｆｌ之差即為多譜勒頻移ｆｄ。

設(shè)流體流速為ｖ，超聲波聲速為ｃ，多譜勒頻移ｆｄ正比于流體流速ｖ：

即：ｆｄ＝ｆ２－ｆ１＝