測量原理與發展現狀

0 引言

    超聲波流量計具有非接觸式測量、低壓損、測量范圍寬等優點，已經被廣泛用于石油化工等行業的流量計量，特別適用于大口徑管道、非導電性流量測量。

    1 超聲波流量計的基本測量原理

    超聲波流量計利用超聲波在流體的順流和逆流中不同的傳播速度來測量，測量原理圖見圖1。zui常見的有時差法、速差法和頻差法。

圖1 超聲流量計測量原理示意圖

    時差法：

    速差法：

    頻差法：

    式中，L是A、B換能器的直線距離，θ是流體流向與超聲波路徑的夾角。

    因為聲速c受溫度的影響不容易忽略，而式（5）中頻差與流速v成正比，且不含聲速c，測量結果不受溫度影響，所以頻差法更為簡單實用。也有專門利用管段內流體的溫度分布隨流體流動而改變，溫度分布又引起聲速變化這一特點研發的超聲波流量計。

    因為一般流速下，順流和逆流的時間差取決于管徑的大小，只有幾百納秒到幾微秒，所以高精度的時差、頻差的測量方法與超聲波流量計測量精度關系緊密，例如荷蘭Instroment公司采用了高速數字處理電路技術，能檢測出微秒級的微小時間差，計時精度達到納秒級。

    2 外夾式超聲波流量計的選型和安裝

    根據換能器的安裝方式不同，超聲波流量計可以分為：外夾式、管段式和插入式。外夾式超聲波流量計，是指將換能器貼在管道外側的超聲波流量計。這種安裝方式是超聲波流量計的三種換能器安裝方式中，安裝和維護zui為方便的一種，但是換能器信號的發射和接收信號通道zui復雜，必須通過管道、（襯里）和流體介質，測量精度也相對較低。

    2.1 選型注意事項

    儀表的選型是儀表應用中非常重要的工作，超聲波流量計選型要特別注意收集以下方面的信息：

    2.1.1　基本信息

    被測流體名稱；zui大流量、zui小流量；zui高溫度、zui低溫度；管道材料；管道內襯材料；管外徑D（或管壁厚度），管內徑。

    2.1.2 防護等級選擇

    一般有IP65和IP68兩種。IP65是防噴水型，在使用中能承受一定壓力和出水量的水柱噴射。IP68是潛水型，可以長期工作在水中。

    2.1.3 測量點的選擇

    1）測量位置應選在探頭上游大于10D和下游大于5D，充滿液體的直管段處；

    2）測量點選擇應盡可能遠離泵、閥門等設備，避免干擾。原因同上，因要盡可能測量平直流體，避免紊流帶來的測量誤差；

    3）測量點選擇應盡可能遠離大功率電臺，強磁場干擾源等；

    4）管路管材應均勻密實，易于超聲波傳播；

    5）充分考慮管內結垢狀況，盡可能選擇無結垢的管段進行測量。

    2.2 安裝注意事項

    1）必須把待安裝換能器的金屬管道表面打磨3倍探頭面積，去掉銹跡油漆，使管壁表面光滑平整，露出管道金屬的原有表面并保持原有弧度；

    2）換能器的信號屏蔽線可懸空，但不能與正、負端短路；

    3）換能器與管道接觸部分要用耦合劑密封，防止空氣、沙塵和銹跡進入；

    4）夾具應固定在換能器的中心部分，使之不易滑動。

    3 外夾式超聲波流量計的發展現狀

    超聲波的特點之一是傳播衰減大，氣體吸收超聲波能量的能力zui強，其次是液體和固體。故單*體的超聲波流量計中，外夾式氣體超聲波流量計在實際應用中測量精度一般都不高。為了提高測量的精度和信號強度，有些超聲波流量計采取了多通道測量方法，利用多通道的測量數據根據權值計算平均流速。還有些超聲波流量計采用了寬束技術。該技術是由換能器發出較寬頻率范圍的聲束對管道壁進行掃描和搜索，使管道變成了換能器的一部分，使聲束能更大面積地覆蓋被測介質的橫截面。有資料顯示寬束技術可以用較少的聲道便可得到很高的穩定性和重復性，可測zui小管徑能達到6.35mm。