聲學(xué)多普勒流量計(jì)測(cè)量原理、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用研究

聲學(xué)多普勒流量計(jì)是在傳統(tǒng)測(cè)流方法上發(fā)展改進(jìn)的一種新型測(cè)流儀器，因其測(cè)量精度高、測(cè)流范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在水資源監(jiān)測(cè)、城市排水排污監(jiān)測(cè)等流量監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

聲學(xué)多普勒流量計(jì)測(cè)量原理

超聲波多普勒流量計(jì)的測(cè)量原理是利用了物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個(gè)因相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對(duì)速度成正比。在超聲波多普勒流量測(cè)量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運(yùn)動(dòng)的固體顆粒起與聲源存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它把接收到的超聲波部分反射回與超聲波發(fā)射器一起布設(shè)的超聲波接收器。由于流體中固體顆粒運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了多普勒效應(yīng)，發(fā)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(cè)量頻差可以求得流速。因斷面內(nèi)流速分布不均，傳感器分布式布設(shè)的原理是在斷面的不同位置分別布設(shè)測(cè)速探頭，盡可能測(cè)量到不同位置的代表性流速，通過(guò)科學(xué)的算法獲得斷面的平均流速，相對(duì)單一測(cè)速探頭起到提升流量監(jiān)測(cè)精度的作用。

超聲波多普勒流量測(cè)量的必要條件是：被測(cè)流體介質(zhì)應(yīng)是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質(zhì)。這個(gè)工作條件成為它測(cè)量天然水體或者高含各種顆粒物和復(fù)雜成份的城市排水、污水等水體的一大優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)流量計(jì)難以解決的問(wèn)題，并在準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性上有了質(zhì)的飛躍。目前，超聲波多普勒流量計(jì)正日益得到廣泛應(yīng)用。

技術(shù)特點(diǎn)

聲學(xué)多普勒流量計(jì)尤其適用于濁度大于20mg/L的流體流量測(cè)量，同系列產(chǎn)品也可應(yīng)用于固液兩相流的流量測(cè)量。具有微功耗、高精度、寬量程、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，操作簡(jiǎn)便，可同時(shí)檢測(cè)流量、流速、水位、水溫、剩余電量、電壓等多種參數(shù)。與其它常規(guī)類型流量計(jì)或其它超聲波流量計(jì)相比，具有高精度、高可靠性、高性能、價(jià)格適中等顯著特點(diǎn)，具體技術(shù)特點(diǎn)如下：

斷面流速測(cè)量：超聲波探頭的測(cè)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(cè)量精度高：選帶傅里葉變換（Zoom-FFT）算法保證測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定并具有毫米級(jí)別的速度分辨率；

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特：通過(guò)專利保護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效防止淤泥堵塞關(guān)鍵測(cè)量部位，減少流量計(jì)的維護(hù)；

低功耗設(shè)計(jì)：嵌入式軟硬件整體低功耗設(shè)計(jì)、先進(jìn)的電源管理策略及科學(xué)的工作模式切換；

應(yīng)用場(chǎng)景廣：濁度大于20mg/L的滿管和非滿管流量測(cè)量均可，通過(guò)選用宏電相關(guān)配件可擴(kuò)展支持淤積監(jiān)測(cè)功能；

防護(hù)等級(jí)高：IP68防水防塵等級(jí)，可滿足各種不同應(yīng)用場(chǎng)合。

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

流速計(jì)算

從多普勒流速傳感器（換能器）發(fā)射的超聲波束遇到流體中運(yùn)動(dòng)著顆?；驓馀?，再反射回來(lái)由多普勒流速傳感器（換能器）接收；發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)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(jì)算

聲學(xué)多普勒流量計(jì)實(shí)時(shí)采集的流速、水位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集處理單元接收到流速、水位數(shù)據(jù)，計(jì)算出瞬時(shí)流量，記為Qs；再計(jì)算出累計(jì)流量，記為Q；其流量可按下式計(jì)算：

Qs=AV

式中A為管道過(guò)水面積，V為斷面平均流速。

Q= QsT

式中Qs斷面瞬時(shí)流量，T為累計(jì)時(shí)長(zhǎng)（單位h）。

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