多普勒流量計量表基礎(chǔ)知識

發(fā)布：2018-12-18 | 點擊：人次

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多普勒流量計是利用多普勒頻移獲得流體流速數(shù)據(jù)，然后根據(jù)原始流速、液位數(shù)據(jù)以數(shù)學模型計算出截面平均流速后乘以流體截面積而獲得流量的流量檢測技術(shù)（流量的基本公式：流量Q=平均流速V*截面面積A）。因此，多普勒流量計的測流量過程可具體為：測定流速、平均流速計算、截面積計算、流量計算。其中后兩項均是簡單的幾何/數(shù)學計算。

對于流速測量，首先要解釋的是多普勒頻移。當波源與觀察者之間有相對運動時，觀察者所接收到的頻率與波源的真實頻率不同，接收到的信號的頻率與聲源頻率之差，稱為多普勒頻移，它的大小由兩者之間的相對速度決定，這種物理現(xiàn)象稱為多普勒效應。測流速時，探頭發(fā)射的波遇到介質(zhì)中隨波逐流的懸浮物、固體顆粒、汽泡，甚至非穩(wěn)態(tài)的漩渦、擾亂等，均會產(chǎn)生偏離發(fā)射頻率的反射波，產(chǎn)生多普勒頻變，該效應與反射物的運動流速成正比。接收探頭接收到各點的反射波，經(jīng)過復雜的信號處理、動態(tài)頻譜分析和精度計算，就可得出管截面內(nèi)流體的流速。目前，多普勒流量計使用zui多的波則是超聲波和雷達波，而采用任何波作為測量波的多普勒流量計，用到的流速定量原理均是多普勒頻移原理。基本上，可以認為該原理下各種波的探頭測量某點點流速或測量范圍內(nèi)（指聲波或雷達波的覆蓋范圍流速測量，并非整個斷面）的流速的精度并沒有本質(zhì)區(qū)別，基本都在1-2%左右。

而超聲波和雷達波在測流應用上的區(qū)別，主要是超波通常用于流體下測量，后者一般用于流體以上測量。因此，超聲波可以根據(jù)收集分析不同時間的回波的多普勒頻移而得到流體內(nèi)不同深度的流速數(shù)據(jù)。而雷達波則因安裝在液體以上，只能獲得流體表面的流速數(shù)據(jù)。從安裝上，雷達波則因無需安裝到液體以下，不僅安裝維護方便，儀器故障率也更低。

無論是超聲波多普勒流量計，還是雷達多普勒流量計，探頭本身發(fā)出的聲波及雷達波覆蓋面積都極為有限，事實上是無法直接測量得到整個過水斷面的平均流速的。因此，如何通過探頭獲得的有限的原始流速數(shù)據(jù)獲得截面平均流速至關(guān)重要。目前，平均流速的獲得一般是根據(jù)某一深度或某幾個深度的流速數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)學模型計算截面平均流速。雷達波流量計一般只具備測得表面流速的能力，因此，只能以表面流速計算得到平均流速。而超聲波流量計因其安裝于液體液面以下，可以獲得多個深度流速，可以獲得多個流速計算得到的平均流速。

不難看出，在流量計的內(nèi)置軟件中必須有一個理論模型，根據(jù)斷面形狀和水流特征找出斷面平均流速和我們探頭測量流速之間的關(guān)系，從而計算當前斷面的平均流速。但是實際上，水流的運動形態(tài)復雜多變，水力學模型通常只適合用在均勻流上，所以不論是什么流量計，遇到湍流都是無法準確計算流量的，原因就是湍流的斷面平均流速無法計算（除非真的能把斷面上每個點的流速都測出來并加權(quán)平均，這是理論上就做不到的）。

即使同樣是層流的運動形態(tài)，水流中也仍然會有微小的擾動和漩渦（由于顆粒及淤積的存在，無法形成理想狀態(tài)的水流），在這種情況下，相對而言，水下超聲波（向上發(fā)射）確實可以比雷達波（表面流速）更能夠準確的計算流量。原因是，水下超聲波可以分段測量不同深度上的流速，從而近似的得到相對準確的流速分布，而雷達只能測表面流速，完全無法測量實際的流速分布。這水下超聲波可以根據(jù)實測結(jié)果來修正測量流速和平均流速間的關(guān)系，從而得到更加準確的平均流速，而雷達則只能假定當前的流態(tài)，使用理論模型來計算平均流速。那么二者在計算流量時的差別就可以一目了然了。

另外，應當特別指出的是，因為超聲波多普勒可獲得多個深度流速數(shù)據(jù)，除了以這些流速計算平均流速外，這些不同深度原始流速數(shù)據(jù)還有另外的處理方式。例如，獲得某幾個深度流速數(shù)據(jù)后，不是直接用來計算平均流速，而是通過模型計算更多深度及位置的流速，在流體截面上形成等流速線，然后通過等流速線及類似環(huán)形積分區(qū)域計算得到平均流速或者直接計算流量。這種原始流速處理方式帶來的，是更為廣泛的流體形態(tài)適應性。計算平均流速時，是用每條等流速線在截面上一點點積分算出來，可想而知，這么做就算是同一截面出現(xiàn)了上層下層流體方向相反也沒關(guān)系，照樣可以積分得出相對準確結(jié)果。

因此，總的來說，在超聲波和雷達波兩種探頭都工作正常的情況下，水下超聲的方式計算的流量更為準確一些，且具備更廣泛的流體狀態(tài)適用性。但實際上還是要看當時的水流運動形態(tài)以及干擾因素，比如溫度變化對超聲波波速有較大影響，將給結(jié)果帶來干擾。如果水流運動比較均勻，那么雷達也可以得到很好的結(jié)果。實際應用中，雷達波流量計可以通過安裝位置的選擇，得到盡量標準的流體運動形態(tài)，從而提高平均流速計算的準確性。

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