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超聲波流量計原理(lǐ)及應用(yòng)
超聲流量計（以下(xià)簡稱USF）是通(tōng)過檢測流體流動時(shí)對(duì)超聲束（或超聲脈沖）的(de)作用(yòng)，。本文主要討(tǎo)論用(yòng)于測量封閉管道液體流量的(de)USF。
20世紀70年代随著(zhe)電子技術的(de)發展，性能日益完善的(de)各種型号USF投入市場(chǎng)。有人(rén)預言由于USF測量原理(lǐ)是長(cháng)度與時(shí)間兩個(gè)基本量的(de)結合，其導出量溯源性較好，有可(kě)能據此建立流量基準。
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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
如圖1所示，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)，爲：
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)，爲：
式（1）減式（2），并變換之，得(de)
式中 L——超聲波在換能器之間傳播路徑的(de)長(cháng)度，m;
時(shí)（間）差法與頻(pín)（率）差法和(hé)相差法間原理(lǐ)方程式的(de)基本關系爲
式中 △f——頻(pín)率差；
△ φ——相位差；
f21,f12——超聲波在流體中的(de)順流和(hé)逆流的(de)傳播頻(pín)率；
f——超聲波的(de)頻(pín)率。
從中可(kě)以看出，相位差法本質上和(hé)時(shí)差法是相同的(de)，而頻(pín)率與時(shí)間有時(shí)互爲倒數關系，三種方法沒有本質上的(de)差别。目前相位差法已不采用(yòng)，頻(pín)差法的(de)儀表也(yě)不多(duō)。
（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。體積流量qv爲
式中 K——流速分(fēn)布修正系數，即聲道上線平均流速Vm和(hé)面平均流速vm和(hé)平面平均流速v之比，K=vm/v；
DN－管道内徑。
K是單聲道通(tōng)過管道中心（即管軸對(duì)稱流場(chǎng)的(de)最大(dà)流速處）的(de)流速（分(fēn)布）修正系數。管道雷諾數ReD變化(huà)K值将變化(huà)，儀表範圍度爲10時(shí)，K值變化(huà)約爲1％；範圍度爲100時(shí)，K值約變化(huà)2％。流動從層流轉變爲紊流時(shí)，K值要變化(huà)約30％。所以要精确測量時(shí)，必須對(duì)K值進行動态補償。
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)。
式中 φ0－超聲在聲楔中的(de)入射角；
φ1、φ－超聲在管壁、流體中的(de)折射角；
c0、c1、c－聲楔、管壁、被測流體的(de)聲速。
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。圖4是以四聲道爲例的(de)原理(lǐ)模型，流量計算(suàn)式（8）所示。
式中 DN－測量段内與聲道垂直方向上的(de)圓管平均内徑或矩形管道的(de)平均内高(gāo)；
S－高(gāo)斯修正系數；
Wi－各聲道高(gāo)斯積分(fēn)加權數；
Li－各聲道長(cháng)度；
Vi－各聲道線平均流速；
θi－各聲道聲道角；
N－聲道數。
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
如圖5所示，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
(9)
式中 v－散射體運動速度。
多(duō)普勒頻(pín)移fd正比于散射體流動速度
(10)
測量對(duì)象确定後，式（10）右邊除v外均爲常量，移行後得(de)
（2）流量方程式
（3） 液體溫度影(yǐng)響的(de)修正
（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。
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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。
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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
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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。 |
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4.1 測量原理(lǐ)的(de)選擇
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條件 |
傳播時(shí)間法 |
多(duō)普勒法 |
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适用(yòng)液體 |
水(shuǐ)類(江河(hé)水(shuǐ)，海水(shuǐ)農業用(yòng)水(shuǐ)等),油類（純淨燃油，潤滑油，食用(yòng)油等），化(huà)學試劑，藥液等 |
含雜(zá)質多(duō)的(de)水(shuǐ)(下(xià)水(shuǐ)，污水(shuǐ)，農業用(yòng)水(shuǐ)等)，漿類(泥漿，礦漿，紙漿化(huà)工料漿等)，油類(非淨燃油，重油，原油等) |
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适用(yòng)懸浮顆粒含量 |
體積含量<1%(包括氣泡)時(shí)不影(yǐng)響測量準确度 |
濁度>50－100mg/L |
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儀表基本誤差 |
帶測量管段式 |
±(0.5-1)%R |
±(3-10)%FS |
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濕式大(dà)口徑多(duō)聲道 |
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濕式小口徑單聲道 |
±1.5%R-±3%R |
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夾裝式(範圍度20：1) |
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重複性誤差 |
0.1%-0.3% |
1% |
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信号傳輸電纜長(cháng)度 |
100-300m,在能保證信号質量的(de)前提下(xià),可(kě)以小于100m |
<30m |
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價格 |
較高(gāo) |
一般較低 |
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4.2 适用(yòng)懸浮顆粒含量的(de)範圍
傳播時(shí)間法USF可(kě)以測量懸浮顆粒很少的(de)液體，但不能測量含有影(yǐng)響超聲波傳播的(de)連續混入氣泡或體積較大(dà)固體物(wù)的(de)液體。在這(zhè)種情況下(xià)應用(yòng)，應在換能器的(de)上遊進行消氣、沉澱或過濾。在懸浮顆粒含量過多(duō)或因管道條件緻使超聲信号嚴重衰減而不能測量時(shí)，有時(shí)可(kě)以試降低換能器頻(pín)率，予以解決。
4.3 測量精确度
（1） 傳播時(shí)間法
（2） 多(duō)普勒法
流體運行流速不能過低，過低的(de)流速會使離散體分(fēn)布不均勻。若測量管水(shuǐ)平安裝，氣體會浮升在頂部流動，顆粒會沉澱于底部。最低流速通(tōng)常爲0.1-0.6ｍ／ｓ。
4.4 聲道設置和(hé)直管段要求
（1） 傳播時(shí)間法
單聲道從單一路徑的(de)線平均流速乘上系數代表平均流速。單一路徑聲道的(de)換能器設置通(tōng)常是通(tōng)過管道中心，即在橫截面投影(yǐng)圓的(de)直徑上，其系數即如圖10.2所示。也(yě)右聲道設置在弦的(de)位置上。流動速度分(fēn)布畸變和(hé)存在徑向速度分(fēn)量（如渦流、二次流）則會改變該系數值，弦位置的(de)影(yǐng)響比直徑位置的(de)影(yǐng)響小。多(duō)聲道測量多(duō)路徑線平均流速，更減少流動畸變影(yǐng)響，提高(gāo)測量精度。
爲了(le)獲得(de)流體沿管道中心平行對(duì)稱地流動，測量點上下(xià)遊要有足夠的(de)長(cháng)度直管段作有效整流。不能滿足時(shí)應設置流動調整器。
（2） 多(duō)普勒法
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上遊管路阻流件種類 |
單聲道最短長(cháng)度例一(1) |
單聲道最短長(cháng)度例二(2) |
雙聲道最短長(cháng)度(3) |
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上遊 |
下(xià)遊 |
上遊 |
下(xià)遊 |
上遊 |
下(xià)遊 |
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同心漸縮管 |
10 |
5 |
15 |
5 |
無要求 |
無要求 |
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同心漸擴管 |
30 |
5 |
－ |
－ |
－ |
－ |
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1個(gè)90度圓角彎管 |
10 |
5 |
20 |
5 |
10 |
5 |
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T形管 |
50 |
10 |
－ |
－ |
－ |
－ |
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2個(gè)90度圓角彎管 |
－ |
－ |
25 |
5 |
10 |
5 |
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2個(gè)90度直角彎管 |
－ |
－ |
40 |
5 |
10 |
5 |
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全開閘閥 |
－ |
－ |
20 |
5 |
－ |
－ |
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各類閥(包括控制閥) |
30 |
10 |
50 |
5 |
15 |
5 |
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泵 |
50 |
無要求 |
－ |
－ |
－ |
－ |
(1)參考文獻[4];(2)Westinghouse公司樣本(3)Krohne公司樣本。
4.5 換能器類型的(de)選擇
（1） 傳播時(shí)間法
（2）多(duō)普勒法
本類儀表用(yòng)的(de)折射式換能器。目前國内産品大(dà)部分(fēn)采用(yòng)夾裝式，但與傳播時(shí)間法所用(yòng)的(de)夾裝式換能的(de)發射頻(pín)率等技術性能不同，不能混用(yòng)。然而兩者适用(yòng)管道條件是基本相同的(de)。
4.6 安裝布置方面的(de)考慮
1） 安裝位置和(hé)流動方向 USF的(de)流量傳感部分(fēn)（超聲流量傳感器或超聲換能器）一般均可(kě)安裝于水(shuǐ)平、傾斜或垂直管道。垂直管道最好選擇自下(xià)而上流動的(de)場(chǎng)所，若爲自上而下(xià)，則其下(xià)遊應有足夠的(de)背壓，例如有高(gāo)于測量點的(de)後續管道，以防止測量點出現非滿管流。
2）單向流還(hái)是雙向流通(tōng)常爲單向流，但也(yě)可(kě)通(tōng)過較複雜(zá)電子線路，設計成雙向流動，此時(shí)流量測量點兩側直管段長(cháng)度均應按上遊直管段的(de)要求布置。
3）管道條件外夾裝式USF管道内表面積沉積層會産生聲波不良傳輸和(hé)偏離預期聲道路徑和(hé)長(cháng)度，應予避免；外表面因易于處理(lǐ)較少影(yǐng)響。夾裝式換能器和(hé)管道接觸表面要塗上耦合劑。應注意粒狀結構材料（例如鑄鐵、混凝土）的(de)管道，很可(kě)能聲波被分(fēn)散，大(dà)部分(fēn)聲波傳送不到流體而降低性能。換能器安裝處管道襯裏或鏽蝕層與管壁之間不能有縫隙。用(yòng)V法的(de)反設處必須避開焊縫和(hé)接口（參見圖11）。
4）上遊流動擾動與大(dà)部分(fēn)其他(tā)流量儀表一樣，USF敏感于流過儀表的(de)流速分(fēn)布剖面，因此也(yě)要求相當長(cháng)度的(de)上遊直管段。前文已對(duì)直管段要求作了(le)討(tǎo)論。
5）防止聲幹擾應注意由控制閥高(gāo)壓力降等所形成的(de)聲學幹擾，特别在測量氣體流量時(shí)尤爲重要，設法避免之。例如Instromet公司的(de)USF顯示儀中有聲幹擾實時(shí)測量報警；測量管道中采用(yòng)如圖9所示彎管阻斷聲幹擾的(de)措施。
4.7 經濟因素方面的(de)考慮
USF的(de)流量校驗費用(yòng)，外夾裝式儀表通(tōng)常不作實流校驗，僅作靜态調試，液體用(yòng)儀表可(kě)充實液調試；管段式儀表爲提高(gāo)儀表精度，均作實流校驗。因爲這(zhè)些校驗或調試在出廠前進行，一般包括在價格内。
大(dà)管徑儀表爲了(le)提高(gāo)測量精确度或用(yòng)戶需要在現場(chǎng)考核其精确度，或者測量位置流場(chǎng)畸變嚴重必須作實流标定，在測量原位用(yòng)速度面積法等方法在線校驗，則應考慮其校驗費用(yòng)。
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5.1 流量傳感器或換能器的(de)安裝
（1） 流量傳感器（即帶測量管段的(de)插入式換能器總成）的(de)安裝
1） 安裝本類流量傳感器時(shí)管網必須停流，測量點管道必須截斷後接入流量傳感器。
2） 連接流量傳感器的(de)管道内徑必須與流量傳感器相同，其差别應在±1％以内。
3）流量傳感器上的(de)傳感器盡可(kě)能在如圖10所示與水(shuǐ)平直徑成45度的(de)範圍内，避免在垂直直徑位置附近安裝。否則在測量液體時(shí)換能器聲波表面易受氣體或顆粒影(yǐng)響，在測量氣體時(shí)受液滴或顆粒影(yǐng)響。
4） 測量液體時(shí)安裝位置必須充滿液體。
5） 上下(xià)遊應有必要的(de)直管段。
（2）外夾裝式換能器的(de)安裝。
1） 剝淨安裝段内保溫層和(hé)保護層，并把換能器按裝處的(de)壁面打磨幹淨。避免局部凹陷，凸出物(wù)修平，漆鏽層磨淨。
2）對(duì)于垂直設置的(de)管道，若爲單聲道傳播時(shí)間法儀表，換能器的(de)安裝位置應盡可(kě)能在上遊彎管的(de)彎軸平面内（見圖11），以獲得(de)彎管流場(chǎng)畸變後較接近的(de)平均值。
3） 換能器安裝處和(hé)管壁反射處必須避開接口和(hé)焊縫，如圖12以V法示例。
4）換能器安裝處的(de)管道襯裏和(hé)垢層不能太厚。襯裏、鏽層與管壁間不能有間隙。對(duì)于鏽蝕嚴重的(de)管道，可(kě)用(yòng)手錘震擊管壁，以震掉壁上的(de)鏽層，保證聲波正常傳播。但必須注意防止擊出凹坑。
5） 換能器工作面與管壁之間保持有足夠的(de)耦合劑，不能有空氣和(hé)固體顆粒，以保證耦合良好。
6）多(duō)普勒法夾裝式換能器安裝有對(duì)稱安裝和(hé)同側安裝兩種方法，如圖13所示。對(duì)稱安裝适用(yòng)于中小管徑（通(tōng)常小于600mm）管道和(hé)含懸浮顆粒或氣泡較少的(de)液體；同側安裝适用(yòng)于各種管徑的(de)管道和(hé)含懸浮顆粒或氣泡較多(duō)的(de)液體。
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