金湖捷特儀表生産的(de)JT系列超聲波流量計結構與原理(lǐ)介紹：

第一節 超聲波流量計工作原理(lǐ)
　　封閉管道用(yòng)USF按測量原理(lǐ)分(fēn)類有：① 傳播時(shí)間法；② 多(duō)普勒效應法；③ 波束偏移法；④ 相關法；⑤ 噪聲法。本文将討(tǎo)論用(yòng)得(de)最多(duō)的(de)傳播時(shí)間法和(hé)多(duō)普勒效應法的(de)儀表。
　　1.1 傳播時(shí)間法
　　聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會增大(dà)，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的(de)傳播時(shí)間。利用(yòng)傳播速度之差與被測流體流速之關系求取流速，稱之傳播時(shí)間法。按測量具體參數不同，分(fēn)爲時(shí)差法、相位差法和(hé)頻(pín)差法。現以時(shí)差法闡明(míng)工作原理(lǐ)。
　　(1)流速方程式
　　超聲波逆流從換能器1送到換能器2的(de)傳播速度c被流體流速Vm所減慢(màn)      反之，超聲波順流從換能器2傳送到換能器1的(de)傳播速度則被流體流速加快(kuài)。
　　(2)流量方程式
　　傳播時(shí)間法所測量和(hé)計算(suàn)的(de)流速是聲道上的(de)線平均流速，而計算(suàn)流量所需是流通(tōng)橫截面的(de)面平均流速，二者的(de)數值是不同的(de)，其差異取決于流速分(fēn)布狀況。因此，必須用(yòng)一定的(de)方法對(duì)流速分(fēn)布進行補償。此外，對(duì)于夾裝式換能器儀表，還(hái)必須對(duì)折射角受溫度變化(huà)進行補償，才能精确的(de)測得(de)流量。
　　1)夾裝式換能器儀表聲道角的(de)修正 夾裝式換能器USF除了(le)做(zuò)流速分(fēn)布修正外，必要時(shí)還(hái)要做(zuò)聲道角變化(huà)影(yǐng)響的(de)修正。根據斯那爾(Snall)定律式(7)和(hé)圖2，聲道角θ随流體中聲速c的(de)變化(huà)而變化(huà)，而c又是流體溫度的(de)函數(以水(shuǐ)爲例，見圖3)，因此，必須對(duì)θ角進行自動跟蹤補償，以達到溫度補償的(de)目的(de)。
　　θ角不但受流體聲速影(yǐng)響，還(hái)與聲楔和(hé)管壁材料中的(de)聲速有關。然而因爲一般固體材料的(de)聲速變化(huà)比液體聲速溫度變化(huà)小一個(gè)數量級，在溫度變化(huà)不大(dà)的(de)條件下(xià)對(duì)測量精确度的(de)影(yǐng)響可(kě)以忽略不計。但是在溫度變化(huà)範圍大(dà)的(de)情況下(xià)(例如高(gāo)低溫換能器工作溫度範圍-40-200℃)就必須對(duì)聲楔和(hé)管壁中聲速的(de)大(dà)幅度變化(huà)進行修正。
　　2)多(duō)聲道直射式換能器儀表的(de)流量方程式直射式換能器儀表的(de)流量方程沒有管壁材料折射溫度變化(huà)影(yǐng)響。多(duō)聲道儀表常用(yòng)高(gāo)斯積分(fēn)法或其他(tā)積分(fēn)法計算(suàn)流量。
　　2.2 多(duō)普勒(效應)法
　　多(duō)普勒(效應)法USF是利用(yòng)在靜止(固定)點檢測從移動源發射聲波多(duō)産生多(duō)普勒頻(pín)移現象。
　　(1)流速方程式
　　超聲換能器A向流體發出頻(pín)率爲fA的(de)連續超聲波，經照(zhào)射域内液體中散射體懸浮顆粒或氣泡散射，散射的(de)超聲波産生多(duō)普勒頻(pín)移fd，接收換能器B收到頻(pín)率爲fB的(de)超聲波，其值爲
　　(2)流量方程式
　　多(duō)普勒法USF的(de)流量方程式形式上與式(6)相同，隻是所測得(de)的(de)流速是各散射體的(de)速度v(代替式中的(de)Vm)，與載體液體管道平均流速數值并不一緻；方程式中流速分(fēn)布修正系數Kd以代替K0，Kd是散射體的(de)“照(zhào)射域”在管中心附近的(de)系數；其值不适用(yòng)于在大(dà)管徑或含較多(duō)散射體達不到管中心附近就獲得(de)散射波的(de)系數。
　　(3)液體溫度影(yǐng)響的(de)修正
　　式(11)中又流體聲速c，而c是溫度的(de)函數，液體溫度變化(huà)會引起測量誤差。由于固體的(de)聲速溫度變化(huà)影(yǐng)響比液體小一個(gè)數量級，即在式(11)中的(de)流體聲速c用(yòng)聲楔的(de)聲速c0取代，以減小用(yòng)液體聲速時(shí)的(de)影(yǐng)響。因爲從圖6可(kě)知cosθ=sinφ，再按斯納爾定律sinφ/c＝sinφ0/c0，式(11)便可(kě)得(de)式(12)，其中c0/sinφ0可(kě)視爲常量。
　　(4)散射體的(de)影(yǐng)響
　　實際上多(duō)普勒頻(pín)移信号來(lái)自速度參差不一的(de)散射體，而所測得(de)各散射體速度和(hé)載體液體平均流速間的(de)關系也(yě)有差别。其他(tā)參量如散射體粒度大(dà)小組合與流動時(shí)分(fēn)布狀況，散射體流速非軸向分(fēn)量，聲波被散射體衰減程度等均影(yǐng)響頻(pín)移信号。
第二節 優缺點和(hé)局限性
　　2.1 優點
　　USF可(kě)作非接觸測量。夾裝式換能器USF可(kě)無需停流截管安裝，隻要在既設管道外部安裝換能器即可(kě)。這(zhè)是USF在工業用(yòng)流量儀表中具有的(de)獨特優點，因此可(kě)作移動性(即非定點固定安裝)測量，适用(yòng)于管網流動狀況評估測定。USF爲無流動阻撓測量，無額外壓力損失。
　　流量計的(de)儀表系數是可(kě)從實際測量管道及聲道等幾何尺寸計算(suàn)求得(de)的(de)，既可(kě)采用(yòng)幹法标定，除帶測量管段式外一般不需作實流校驗。
　　USF适用(yòng)于大(dà)型圓形管道和(hé)矩形管道，且原理(lǐ)上不受管徑限制，其造價基本上與管徑無關。對(duì)于大(dà)型管道不僅帶來(lái)方便，可(kě)認爲在無法實現實流校驗的(de)情況下(xià)是優先考慮的(de)選擇方案。多(duō)普勒USF可(kě)測量固相含量較多(duō)或含有氣泡的(de)液體。USF可(kě)測量非導電性液體，在無阻撓流量測量方面是對(duì)電磁流量計的(de)一種補充。
　　因易于實行與測試方法(如流速計的(de)速度-面積法，示蹤法等)相結合，可(kě)解決一些特殊測量問題，如速度分(fēn)布嚴重畸變測量，非圓截面管道測量等。某些傳播時(shí)間法USF附有測量聲波傳播時(shí)間的(de)功能，即可(kě)測量液體聲速以判斷所測液體類别。例如，油船泵送油品上岸，可(kě)核查所測量的(de)是油品還(hái)是倉底水(shuǐ)。
　　2.2 缺點和(hé)局限性
　　傳播時(shí)間法USF隻能用(yòng)于清潔液體和(hé)氣體，不能測量懸浮顆粒和(hé)氣泡超過某一範圍的(de)液體；反之多(duō)普勒法USF隻能用(yòng)于測量含有一定異相的(de)液體。
　　外夾裝換能器的(de)USF不能用(yòng)于襯裏或結垢太厚的(de)管道，以及不能用(yòng)于襯裏(或鏽層)與内管壁剝離(若夾層夾有氣體會嚴重衰減超聲信号)或鏽蝕嚴重(改變超聲傳播路徑)的(de)管道。
　　多(duō)普勒法USF多(duō)數情況下(xià)測量精度不高(gāo)。國内生産現有品種不能用(yòng)于管徑小于DN25mm的(de)管道。
　　第三節 分(fēn)類和(hé)結構
　　3.1 組成
　　USF主要由安裝在測量管道上的(de)超聲換能器(或由換能器和(hé)測量管組成的(de)超聲流量傳感器)和(hé)轉換器組成。轉換器在結構上分(fēn)爲固定盤裝式和(hé)便攜式兩大(dà)類。換能器和(hé)轉換器之間由專用(yòng)信号傳輸電纜連接，在固定測量的(de)場(chǎng)合需在适當的(de)地方裝接線盒。夾裝式換能器通(tōng)常還(hái)需配用(yòng)安裝夾具和(hé)耦合劑。圖7是系統組成示例，此例是測量液體用(yòng)傳播時(shí)間法單聲道Z法夾裝式USF。
　　3.2 分(fēn)類
　　可(kě)以從不同角度對(duì)超聲流量測量方法和(hé)換能器(或傳感器)進行分(fēn)類。
　　(1)按測量原理(lǐ)分(fēn)類：封閉管道用(yòng)USF按測量原理(lǐ)有5種，如2節所述，現在用(yòng)得(de)最多(duō)的(de)是傳播時(shí)間法和(hé)多(duō)普勒法兩大(dà)類。
　　(2)按被測介質分(fēn)類：有氣體用(yòng)和(hé)液體用(yòng)兩類。傳播時(shí)間法USF兩種介質各自專用(yòng)，因換能器工作頻(pín)率各異，通(tōng)常氣體在100~300kHz之間，液體在1~5MHz之間。氣體儀表不能用(yòng)夾裝式換能器，因固體和(hé)氣體邊界間超聲波傳播效率較低。
　　(3)傳播時(shí)間法按聲道數分(fēn)類：按聲道數分(fēn)類常用(yòng)的(de)有單聲道、雙聲道、四聲道和(hé)八聲道四種。近年有出現三聲道、五聲道和(hé)六聲道。四聲道及以上的(de)多(duō)聲道配置對(duì)提高(gāo)測量精度起很大(dà)作用(yòng)。各聲道按換能器分(fēn)布位置(見圖8)，又可(kě)分(fēn)爲以下(xià)幾種。
　　1)單聲道 有Z法(透過法)和(hé)V法(反射法)兩種。
　　2)雙聲道 有X法(2Z法、交差法)、2V法和(hé)平行法三種。
　　3)四聲道 有4Z法和(hé)平行法兩種。
　　4)八聲道 有平行法和(hé)兩平行四聲道交差法二種。
　　(4)按換能器安裝方式分(fēn)類有
　　1)可(kě)移動安裝
　　2)固定安裝