矿冶行业两相及多相流流量的测量长期以来都不是很理想。目前，市场上流行的时差式超声波流量计主要适用于清水等单相流的测量[1]，当液体中杂质的浓度超过10g/L时便难以测量。文章将介绍一种用于管道内两相及多相流的流量测量的仪表LCZ803DF系列数字式超声多普勒流量计，该流量计是以超声波的多普勒效应为原理，通过检测两个传感器探头的超声波频率差来得到流体的流速与流量。此仪表采用数字技术，大大提升了仪表的各项性能指标，提高了仪表的准确度与稳定性，为煤炭、选矿等行业重介悬浮液、矿浆、泥浆等流量的测量提供了一种便捷的解决方案。
1 测流原理及硬件构成
1.1 测量原理
超声波多普勒流量计的测量原理是以物理学中的多普勒效应为基础的。在超声波多普勒测流方法中，超声波发射器F1为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒与声源有相对运动，它把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收器F2（图1），由于发射声波与接收声波之间存在频率差，即多普勒频移[2]，而这个频率差正比于流体流速，所以测量频差即可求得流速，进而可以得到流体的流量。
图1 多普勒效应测流示意图
如图2所示，假设超声波波束与流体运动速度的夹角为α，超声波传播速度为c，流体中悬浮粒子运动速度与流体流速相同，均为u。
图2 声波折射示意图
现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为例，导出声波多普勒频移与流速的关系式。当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒，而该粒子以速度u沿管轴线运动，那么对于超声波发射器而言，该粒子则是以ucosα的速度离去，所以粒子收到的超声波频率f2应低于发射的超声波频率f1，降低的数值为：
即粒子收到的超声波频率为
式中：f1为发射超声波的频率；α为超声波束与管轴线夹角；c为流体中声速。
而固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以ucosα的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f3又一次降低，类似于f2的计算，f3可表示为：
将f2的表达式代入上式，可得：
由于声速c远大于流体速度u，故上式中平方项可以略去，由此可得：
那么，接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之差，即多普勒频移Δf可由下式计算：
由此式可得流体速度（多普勒方程）为：
则体积流量QV可以写成：
式中：A为被测管道流通截面积。由此流量方程可知，当流量计、管道条件以及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流量成正比，测量频移Δf就可以得到流体流量QV。
1.2 硬件构成
工业仪表的数字化是未来的趋势和方向。如图3所示，数字化就是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码的过程。
图3 信号采样和量化
数字信号传送具有稳定性好、可靠性高的优点。与模拟信号相比，数字信号是加工信号，加工信号对于有杂波和易产生失真的外部环境和电路条件来说，具有较好的稳定性。
从工业电气时代到数字化电子信息时代，工业仪表已进行了几代的更替，从分立元件到厚膜电路，到智能化仪表，再到现在的数字化仪表，工业仪表也在不断地与时俱进。煤炭科学研究总院唐山研究院研发的LCZ803DF系列数字式多普勒超声流量计基于TI仪器16位微控制器MSP430和复杂的可编程逻辑器件等超大规模集成电路，在信号处理上采用了完备的数字化技术，大大提高了仪表的灵敏度和抗干扰能力，并提供了多种数字化接口（如RS485接口），便携型还有RS232接口和USB接口等，使用户可以方便的接入数字通信网络及GPRS无线网络。其硬件框图如见图4。
图4 LCZ803DF系列数字式多普勒超声流量计硬件框图
2 数字式多普勒流量计的特点
针对环境复杂、要求苛刻的工业现场，LCZ803DF系列数字式多普勒超声流量计具有如下特点和适用性：
（1）最大的特点在于它的数字化，由于采用了先进的智能化数字处理技术，提高了测量效果，测量准确可靠，因而可适合复杂的工业环境。
（2）可不停水、不停产在线安装，在线维修。
（3）非接触式测量，不受液体的水质、密度、粘度、温度、腐蚀性、压力和电导率变化的影响，并具有良好的互换性，维护费用低。
（4）可实现无阻流测量，无压力损失。
（5）可用于大型管道流量的测量，理论上不受管径限制。
（6）可测量非导电液体，是对电磁流量计在测量石油行业和有机溶剂方面的一种补充。
3 数字式多普勒流量计的应用
LCZ803DF系列数字式多普勒超声流量计的工业性试验在迁西金厂峪矿进行。该矿生产现场采用玛尔斯泵输送矿浆，额定流量150m3/h，管内径100mm。表1所示为LCZ803DF系列数字式多普勒超声流量计测量结果，可见该流量计精度和稳定性均可满足生产需要。
目前，LCZ803DF系列数字式多普勒超声流量计在各行业工业现场已得到了广泛的应用。如山东滕州田陈煤矿选煤厂一期工程安装了28台LCZ803DF流量计，迄今已稳定运行一年多。此外，平顶山选煤设计院、山西长治花秋煤矿、潞安集团司马煤矿、上海大屯煤电集团徐州矿和垄东矿、神华集团大柳塔选煤厂等也均选用了该流量计。生产实践表明，该流量计的测量效果是令人满意的。
4 结语
LCZ803DF系列数字式多普勒超声流量计解决了计时差法流量计只能用于清水等单相流的测量的局限性，可适用于两相及多相流的流量测量，为采煤、选煤等矿冶行业的水流量测量提供了一种便捷的解决方案。作为一种极有前途的两相流测流仪表，该流量计具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]王晓东，董守平多相流计量研究的现状和发展趋势[J]油气田地面工程，1999，18（2）
[2]汪德昭，等当代物理声学前沿[M]北京：科学出版社，1981
[3]王勇国外新型多相流计量技术综述[J]油气储运，2002，21（3）
