多普勒流量计基础知识

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1、多普勒流量计基础知识 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

2、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

3、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

4、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）。即使同样是层流的运动形态，水流中也仍然会有微小的扰动和漩涡（由于

5、颗粒及淤积的 存在，无法形成理想状态的水流），在这种情况下，相对而言，水下超声波（向上发射）确实可 以比雷达波（表面流速）更能够准确的计算流量。原因是，水下超声波可以分段测量不同深度 上的流速，从而近似的得到相对准确的流速分布，而雷达只能测表面流速，完全无法测量实 际的流速分布。这水下超声波可以根据实测结果来修正测量流速和平均流速间的关系，从而 得到更加准确的平均流速，而雷达则只能假定当前的流态，使用理论模型来计算平均流速。 那么二者在计算流量时的差别就可以一目了然了。另外，应当特别指出的是，因为超声波多普勒可获得多个深度流速数据，除了以这些流 速计算平均流速外，这些不同深度原始流速数据还有另

6、外的处理方式。例如，获得某几个深 度流速数据后，不是直接用来计算平均流速，而是通过模型计算更多深度及位置的流速，在 流体截面上形成等流速线，然后通过等流速线及类似环形积分区域计算得到平均流速或者直 接计算流量。这种原始流速处理方式带来的，是更为广泛的流体形态适应性。计算平均流速 时，是用每条等流速线在截面上一点点积分算出来，可想而知，这么做就算是同一截面出现 了上层下层流体方向相反也没关系，照样可以积分得出相对准确结果。因此，总的来说，在超声波和雷达波两种探头都工作正常的情况下，水下超声的方式计 算的流量更为准确一些，且具备更广泛的流体状态适用性。但实际上还是要看当时的水流运 动形态以及干扰因素，比如温度变化对超声波波速有较大影响，将给结果带来干扰。如果水 流运动比较均匀，那么雷达也可以得到很好的结果。实际应用中，雷达波流量计可以通过安 装位置的选择，得到尽量标准的流体运动形态，从而提高平均流速计算的准确性。更多的资料有关流量计的，可以到