基于时差法的超声波流量计在矿井中的应用

张玉斌 王碧霞 王稳稳 王虎厅 武永刚 王 涛

（1.甘肃煤炭第一工程有限责任公司 2.国网昌吉供电公司 3.甘肃电器科学研究院 4.靖煤集团魏家地煤矿 5.国网昌吉供电公司 6.国网新疆电力有限公司哈密供电公司）

0 引言

近年来，随着电子技术的发展，基于不同原理，适用于不同场合的各种型式的超声波流量计得到了广泛的应用［1-2］。超声波流量计用于测量流动流体的流量，为了减少污染、节水减排，必须对生活用水、工业用水、循环水以及排放的污水进行严格的计量和控制，在煤矿开采过程中，该流量计主要用于电力、石油、化工及矿井排水系统中［3］。

目前使用的超声波流量计主要有多普勒式超声波流量计、便携式超声波流量计、时差式超声波流量计、管道式超声波流量计等［4-5］。因时差式超声波流量计应用效果良好，流量计量较为准确，因此应用最为广泛［6-7］。

本文使用时差式超声波流量计监测矿井排水系统的流量，通过监测矿井水流入量、澄清水流出量和污泥流出量三个流量指标［8-14］，分析矿井水的出水能力和经济效益。矿井水由井下排水泵提升至预沉调节池，自流进入吸水井，对进入吸水井中的矿井水排水流量进行实时监测能够得知井下工作状态，对煤矿安全生产具有重要意义［15-17］。

本文基于上述研究现状，采用仿真和理论相结合的方式，研究超声波流量计的测量原理，使用COMSOL多物理场仿真超声波流量计的超声波在不同时间的传播情况。

1 超声波流量计的原理

超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来实现流量测量的，根据超声波在流体中顺流与逆流传播的时间之差与流体流速有关的原理实现流体流量的测量。本文使用的是时差法，利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量，测量原理图如图1所示。

图1 超声波流量计的的测量原理图

该流量计的测量原理基于时间差法，超声波信号的逆流传播时间和顺流传播时间之差为Δt，流体的流速与Δt呈正相关，流体的流速还与声速的平方呈正相关，与管道内径及超声束与流体流动方向的夹角θ的正切呈负相关，流体的流速如式（1）所示。

式中，t1为超声波在流体中的逆流传播时间，s；t2为超声波在流体中的顺流传播时间，s；v为介质的流速，m／s；c为声速，m／s；θ为超声束与流体流动方向的夹角，°；Δt为顺流传播和逆流传播的时间差；d为管道内径，m。

2 超声波流量计仿真分析

本文采用COMSOL多物理场进行仿真，基于DGFEM法，求解稳态背景流下的超声波传播情况，其控制方程如式（2）所示。

式中，p为声压，Pa；u为声速，m／s；c0为背景平均流流动声速，m／s；p0为背景平均流压力，Pa；ρ0为背景平均流密度，kg／m3。

基于压电效应，在多物理场中对压电换能器进行建模，一个用于发射超声波，一个用于接受超声波，将流体设置为水，定义其密度和声速；压电换能器的压电元件材料设置为LZP，定义其密度和相对介电常数；使用三角形网格单元将区域离散化，对于弯曲的边界，使用网格单元式真实几何的近似等效；使用时域分析法求解，得到超声波在管道流中的声压随时间的变化云图。

管道流体声压随时间的变化情况如图2所示，由图2可知，随着时间的增加流体的声压逐步递增，当t＝8.00×10-8s时，超声波的声压较小，表明该时刻的声波较弱；当t＝2.24×10-6s时，在流体中形成了正负相间的波纹，表明该时刻的声波增强；当t＝1.2×10-5s时，超声波的声压达到3.00×105Pa，管道流体中各质点振动，超声波在整个流体中传播，超声波流量计实现管道流体的流量监测功能。

图2 管道流体声压随时间的变化情况

3 结束语

本文以超声波流量计为研究对象，采用仿真和理论相结合的方式，研究矿井中超声波流量计的测量特性，得出如下结论：超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来实现流量测量的，根据超声波在流体中顺流与逆流传播的时间之差与流体流速有关的原理实现流体流量的测量；流体中每一点的声压随时间和空间变化，以此研究超声波在管道流体中各质点振动的传播特性。