多普勒流量計(jì)量表基礎(chǔ)知識(shí)

發(fā)布：2018-12-18 | 點(diǎn)擊：人次

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多普勒流量計(jì)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(xué)模型計(jì)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(cè)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(jì)的測(cè)流量過程可具體為：測(cè)定流速、平均流速計(jì)算、截面積計(jì)算、流量計(jì)算。其中后兩項(xiàng)均是簡單的幾何/數(shù)學(xué)計(jì)算。

對(duì)于流速測(cè)量，首先要解釋的是多普勒頻移。當(dāng)波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的頻率與波源的真實(shí)頻率不同，接收到的信號(hào)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(duì)速度決定，這種物理現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。測(cè)流速時(shí)，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(huì)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(yīng)與反射物的運(yùn)動(dòng)流速成正比。接收探頭接收到各點(diǎn)的反射波，經(jīng)過復(fù)雜的信號(hào)處理、動(dòng)態(tài)頻譜分析和精度計(jì)算，就可得出管截面內(nèi)流體的流速。目前，多普勒流量計(jì)使用zui多的波則是超聲波和雷達(dá)波，而采用任何波作為測(cè)量波的多普勒流量計(jì)，用到的流速定量原理均是多普勒頻移原理?；旧希梢哉J(rèn)為該原理下各種波的探頭測(cè)量某點(diǎn)點(diǎn)流速或測(cè)量范圍內(nèi)（指聲波或雷達(dá)波的覆蓋范圍流速測(cè)量，并非整個(gè)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(dá)波在測(cè)流應(yīng)用上的區(qū)別，主要是超波通常用于流體下測(cè)量，后者一般用于流體以上測(cè)量。因此，超聲波可以根據(jù)收集分析不同時(shí)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(dá)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(dá)波則因無需安裝到液體以下，不僅安裝維護(hù)方便，儀器故障率也更低。

無論是超聲波多普勒流量計(jì)，還是雷達(dá)多普勒流量計(jì)，探頭本身發(fā)出的聲波及雷達(dá)波覆蓋面積都極為有限，事實(shí)上是無法直接測(cè)量得到整個(gè)過水?dāng)嗝娴钠骄魉俚?。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(gè)深度的流速數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算截面平均流速。雷達(dá)波流量計(jì)一般只具備測(cè)得表面流速的能力，因此，只能以表面流速計(jì)算得到平均流速。而超聲波流量計(jì)因其安裝于液體液面以下，可以獲得多個(gè)深度流速，可以獲得多個(gè)流速計(jì)算得到的平均流速。

不難看出，在流量計(jì)的內(nèi)置軟件中必須有一個(gè)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(cè)量流速之間的關(guān)系，從而計(jì)算當(dāng)前斷面的平均流速。但是實(shí)際上，水流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)復(fù)雜多變，水力學(xué)模型通常只適合用在均勻流上，所以不論是什么流量計(jì)，遇到湍流都是無法準(zhǔn)確計(jì)算流量的，原因就是湍流的斷面平均流速無法計(jì)算（除非真的能把斷面上每個(gè)點(diǎn)的流速都測(cè)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(yùn)動(dòng)形態(tài)，水流中也仍然會(huì)有微小的擾動(dòng)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(duì)而言，水下超聲波（向上發(fā)射）確實(shí)可以比雷達(dá)波（表面流速）更能夠準(zhǔn)確的計(jì)算流量。原因是，水下超聲波可以分段測(cè)量不同深度上的流速，從而近似的得到相對(duì)準(zhǔn)確的流速分布，而雷達(dá)只能測(cè)表面流速，完全無法測(cè)量實(shí)際的流速分布。這水下超聲波可以根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果來修正測(cè)量流速和平均流速間的關(guān)系，從而得到更加準(zhǔn)確的平均流速，而雷達(dá)則只能假定當(dāng)前的流態(tài)，使用理論模型來計(jì)算平均流速。那么二者在計(jì)算流量時(shí)的差別就可以一目了然了。

另外，應(yīng)當(dāng)特別指出的是，因?yàn)槌暡ǘ嗥绽湛色@得多個(gè)深度流速數(shù)據(jù)，除了以這些流速計(jì)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(gè)深度流速數(shù)據(jù)后，不是直接用來計(jì)算平均流速，而是通過模型計(jì)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(jì)算得到平均流速或者直接計(jì)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(yīng)性。計(jì)算平均流速時(shí)，是用每條等流速線在截面上一點(diǎn)點(diǎn)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(duì)準(zhǔn)確結(jié)果。

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

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