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多普勒流量计基础知识

导读: 多普勒流量计是利用多普勒频移获得流体流速数据,然后根据原始流速、液位数据以数学模型计算出截面平均流速后乘以流体截面积而获得流量的流量检测技术。

  多普勒流量计是利用多普勒频移获得流体流速数据,然后根据原始流速、液位数据以数学模型计算出截面平均流速后乘以流体截面积而获得流量的流量检测技术(流量的基本公式:流量Q=平均流速V*截面面积A)。因此,多普勒流量计的测流量过程可具体为:测定流速、平均流速计算、截面积计算、流量计算。其中后两项均是简单的几何/数学计算。

  对于流速测量,首先要解释的是多普勒频移。当波源与观察者之间有相对运动时,观察者所接收到的频率与波源的真实频率不同,接收到的信号的频率与声源频率之差,称为多普勒频移,它的大小由两者之间的相对速度决定,这种物理现象称为多普勒效应。测流速时,探头发射的波遇到介质中随波逐流的悬浮物、固体颗粒、汽泡,甚至非稳态的漩涡、扰乱等,均会产生偏离发射频率的反射波,产生多普勒频变,该效应与反射物的运动流速成正比。接收探头接收到各点的反射波,经过复杂的信号处理、动态频谱分析和精度计算,就可得出管截面内流体的流速。目前,多普勒流量计使用最多的波则是超声波和雷达波,而采用任何波作为测量波的多普勒流量计,用到的流速定量原理均是多普勒频移原理。基本上,可以认为该原理下各种波的探头测量某点点流速或测量范围内(指声波或雷达波的覆盖范围流速测量,并非整个断面)的流速的精度并没有本质区别,基本都在1-2%左右。

  而超声波和雷达波在测流应用上的区别,主要是超波通常用于流体下测量,后者一般用于流体以上测量。因此,超声波可以根据收集分析不同时间的回波的多普勒频移而得到流体内不同深度的流速数据。而雷达波则因安装在液体以上,只能获得流体表面的流速数据。从安装上,雷达波则因无需安装到液体以下,不仅安装维护方便,仪器故障率也更低。

  无论是超声波多普勒流量计,还是雷达多普勒流量计,探头本身发出的声波及雷达波覆盖面积都极为有限,事实上是无法直接测量得到整个过水断面的平均流速的。因此,如何通过探头获得的有限的原始流速数据获得截面平均流速至关重要。目前,平均流速的获得一般是根据某一深度或某几个深度的流速数据根据数学模型计算截面平均流速。雷达波流量计一般只具备测得表面流速的能力,因此,只能以表面流速计算得到平均流速。而超声波流量计因其安装于液体液面以下,可以获得多个深度流速,可以获得多个流速计算得到的平均流速。

 

  不难看出,在流量计的内置软件中必须有一个理论模型,根据断面形状和水流特征找出断面平均流速和我们探头测量流速之间的关系,从而计算当前断面的平均流速。但是实际上,水流的运动形态复杂多变,水力学模型通常只适合用在均匀流上,所以不论是什么流量计,遇到湍流都是无法准确计算流量的,原因就是湍流的断面平均流速无法计算(除非真的能把断面上每个点的流速都测出来并加权平均,这是理论上就做不到的)。

 

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