1、超聲波流量計工作原理及分類和選型應用2010年12月13日05:05生意社生意社12月13日訊一、CCSg聲波流量計的工作原理及分類超聲波流量計是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表，如果在現場配以溫度、壓力儀表，經過密度補償，還可以求得質量流量。當超聲波在流動的介質中傳播的時候，相對于固定的坐標系統而言（如管道中的管壁），其聲波的某些聲學特性與靜止介質中的聲特性是不同的，在其基礎上又疊加上了流體的流速信息，因而根據超聲波某些聲學特性隨流速的變化就可以求出介質的流速。超聲波流量計根據測量原理的不同，種類較多，大致可以分為以下幾類：1.傳播速度法（時差法、相位差法和頻差法）2.多普勒

2、法3.相關法4.波束偏移法等。但是目前最常采用的測量方法主要有兩類：時差法和多普勒效應法。同時，根據超聲波流量計使用場合不同，可以分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計二、超聲波流量計的選型應用根據原理不同：1、多譜勒式超聲波流量計的選型多普勒法超聲波流量計依靠水中雜質的反射來測量水的流速，因此適用于雜質含量較多的臟水和漿體，如城市污水、污泥、工廠排放液、雜質含量穩定的工廠過程液等，而且可以測量連續混入氣泡的液體。但是根據測量原理，被測介質中必須含有一定數量的散射體（顆粒或氣泡），否則儀表就不能正常工作。2、時差式超聲波流量計的選型目前生產最多、應用范圍最廣泛的是時差式超聲波流量計。它主要

3、用來測量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業用水及江河水、回用水領域，得到廣泛應用。時差式超聲波流量計此外可以測量雜技含量不高（雜質含量小于10g/L,粒徑小于1mm）的均勻流體，如污水等介質的流量，但不能測量含有影響超聲波傳播的連續混入氣泡或體積較大固體物的液體。在這種情況下應用，應在換能器的上游進行消氣、沉淀或過濾。在懸浮顆粒含量過多或因管道條件致使超聲信號嚴重衰減而不能測量時，有時可以試降低換能器頻率，予以解決。而且精度可達±1%實際應用表明，選用時差式超聲波流量計，對相應流體的測量都可以達到滿意的效果。條件傳播時間差法多普勒法適用液體水類（江河水，海水農業用水等，油類（純凈含雜

4、質多的水（下水，污水，農業用燃油，潤滑油，食用油等），化學試劑，藥液等水等），漿類（泥漿，礦漿，紙漿化工料漿等），油類（非凈燃油，重油，原油等）適用懸浮顆粒含量體積含量1%（包括氣泡）時不影響測量準確度濁度>50100mg/L儀表基本誤差帶測量管段式+%R+（3-10）%FS體粒子含量基本不變時土濕式大口徑多聲道濕式小口徑單聲道+%R-+3%R夾裝式（范圍度20:1）重復性誤差%1%信號傳輸電纜長度100-300m,在能保證信號質量的前提下，可以小于100m<30m價格較高一般較低根據現場工況安裝方式1、便攜式超聲波流量計便攜式超聲波流量計具有很大的機動性，適用于臨時性測量，主要用

5、于校對管道上已安裝其它流量儀表的運行狀態，進行一個區域內的流體平衡測試，檢查管道的當時流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時，選用便攜式超聲波流量計既方便又經濟。便攜式超聲波流量計既可以使用現場的交流電源，也備有內置充電電池，可以連續工作510h小時,大大方便了不同場合臨時性流量測量的需要。便攜式超聲波流量計只是為了現場查看當時流量和短時間內的累計流量，故一般無輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時存貯數十條不同管道的參數，供隨時調出使用2、固定式超聲波流量計固定式超聲波流量計用于安裝在某一固定位置，對某一特定管道內流體的流量進行長期不間斷的計量；固定

6、式超聲波流量計要求長期連續運行，所以要使用220V交流電源，因定式超聲波流量計，通常都有4-20mA信號輸出等功能，供遠傳顯示使用，但其內部只能存貯一條管道的參數。超聲流量計（以下簡稱USH是通過檢測流體流動時對超聲束（或超聲脈沖）的作用，以測量體積流量的儀表。本文主要討論用于測量封閉管道液體流量的USF。20世紀70年代隨著電子技術的發展，性能日益完善的各種型號USF投入市場。有人預言由于USF測量原理是長度與時間兩個基本量的結合，其導出量溯源性較好，有可能據此建立流量基準。第一節工作原理封閉管道用USF按測量原理分類有：傳播時間法；多普勒效應法；波束偏移法；相關法；噪聲法。本文將討論用得最

7、多的傳播時間法和多普勒效應法的儀表。傳播時間法聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會增大，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間。利用傳播速度之差與被測流體流速之關系求取流速，稱之傳播時間法。按測量具體參數不同，分為時差法、相位差法和頻差法。現以時差法闡明工作原理。（1） 流速方程式超聲波逆流從換能器1送到換能器2的傳播速度c被流體流速Vm所減慢（2） 反之，超聲波順流從換能器2傳送到換能器1的傳播速度則被流體流速加快（3） 式（1）減式（2），并變換之，得（3）式中L一-超聲波在換能器之間傳播路徑的長度，m;X傳播路徑的軸向分量，m;t12、t21從換能器1到換能器2和從換能器2到

8、換能器1的傳播時間，s;c超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s;Vm流體通過換能器1、2之間聲道上平均流速，m/s。時（間）差法與頻（率）差法和相差法間原理方程式的基本關系為（4） （5）式中f頻率差；目位差；f21,f12超聲波在流體中的順流和逆流的傳播頻率；f超聲波的頻率。從中可以看出，相位差法本質上和時差法是相同的，而頻率與時間有時互為倒數關系，三種方法沒有本質上的差別。目前相位差法已不采用，頻差法的儀表也不多。（2）流量方程式傳播時間法所測量和計算的流速是聲道上的線平均流速，而計算流量所需是流通橫截面的面平均流速，二者的數值是不同的，其差異取決于流速分布狀況。因此，必須用一定的方法對流

9、速分布進行補償。此外，對于夾裝式換能器儀表，還必須對折射角受溫度變化進行補償，才能精確的測得流量。體積流量qv為（6）式中K流速分布修正系數，即聲道上線平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比，K=vm/v；DN管道內徑。K是單聲道通過管道中心（即管軸對稱流場的最大流速處）的流速（分布）修正系數。管道雷諾數ReD變化K值將變化，儀表范圍度為10時，K值變化約為1%;范圍度為100時，K值約變化2%。流動從層流轉變為紊流時，K值要變化約30%。所以要精確測量時，必須對K值進行動態補償。1）夾裝式換能器儀表聲道角的修正夾裝式換能器USF除了做流速分布修正外，必要時還要做聲道角變化影響的修正

10、。根據斯那爾（Snall）定律式（7）和圖2,聲道角8隨流體中聲速c的變化而變化，而c又是流體溫度的函數（以水為例，見圖3）,因此，必須對8角進行自動跟蹤補償，以達到溫度補償的目的。（7）式中小0-超聲在聲楔中的入射角；（M、小一超聲在管壁、流體中的折射角；c0、cl、c聲楔、管壁、被測流體的聲速。8角不但受流體聲速影響，還與聲楔和管壁材料中的聲速有關。然而因為一般固體材料的聲速變化比液體聲速溫度變化小一個數量級，在溫度變化不大的條件下對測量精確度的影響可以忽略不計。但是在溫度變化范圍大的情況下（例如高低溫換能器工作溫度范圍-40-200）就必須對聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進行修正。2）多聲

11、道直射式換能器儀表的流量方程式直射式換能器儀表的流量方程沒有管壁材料折射溫度變化影響。多聲道儀表常用高斯積分法或其他積分法計算流量。圖4是以四聲道為例的原理模型，流量計算式（8）所示。（8）式中DN測量段內與聲道垂直方向上的圓管平均內徑或矩形管道的平均內高；S-高斯修正系數；Wi各聲道高斯積分加權數；Li各聲道長度；Vi各聲道線平均流速；8»各聲道聲道角；N聲道數。多普勒（效應）法多普勒（效應）法USF是利用在靜止（固定）點檢測從移動源發射聲波多產生多普勒頻移現象。（1）流速方程式如圖5所示，超聲換能器A向流體發出頻率為fA的連續超聲波，經照射域內液體中散射體懸浮顆粒或氣泡散射，散射

12、的超聲波產生多普勒頻移fd，接收換能器B收到頻率為fB的超聲波，其值為（9）式中v散射體運動速度。多普勒頻移fd正比于散射體流動速度（10）測量對象確定后，式（10）右邊除v外均為常量，移行后得（11）（2）流量方程式多普勒法USF的流量方程式形式上與式（6）相同，只是所測得的流速是各散射體的速度v（代替式中的vm）,與載體液體管道平均流速數值并不一致；方程式中流速分布修正系數Kd以代替K0Kd是散射體的“照射域”在管中心附近的系數；其值不適用于在大管徑或含較多散射體達不到管中心附近就獲得散射波的系數。（3）液體溫度影響的修正式（11）中又流體聲速c,而c是溫度的函數，液體溫度變化會引起測量誤

13、差。由于固體的聲速溫度變化影響比液體小一個數量級，即在式（11）中的流體聲速c用聲楔的聲速c0取代，以減小用液體聲速時的影響。因為從圖6可知cos8=sin6,再按斯納爾定律sind/csin60/c0式（11）便可得式（12）,其中c0/sin（|）W視為常量。（12）（ 4） 散射體的影響實際上多普勒頻移信號來自速度參差不一的散射體，而所測得各散射體速度和載體液體平均流速間的關系也有差別。其他參量如散射體粒度大小組合與流動時分布狀況，散射體流速非軸向分量，聲波被散射體衰減程度等均影響頻移信號。第二節優缺點和局限性優點USF可作非接觸測量。夾裝式換能器USF可無需停流截管安裝，只要在既設管道

14、外部安裝換能器即可。這是USF在工業用流量儀表中具有的獨特優點，因此可作移動性（即非定點固定安裝）測量，適用于管網流動狀況評估測定USF為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。流量計的儀表系數是可從實際測量管道及聲道等幾何尺寸計算求得的，既可采用干法標定，除帶測量管段式外一般不需作實流校驗。USF適用于大型圓形管道和矩形管道，且原理上不受管徑限制，其造價基本上與管徑無關。對于大型管道不僅帶來方便，可認為在無法實現實流校驗的情況下是優先考慮的選擇方案。多普勒USF可測量固相含量較多或含有氣泡的液體。USFW測量非導電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。因易于實行與測試方法（如流速計的

15、速度-面積法，示蹤法等）相結合，可解決一些特殊測量問題，如速度分布嚴重畸變測量，非圓截面管道測量等。某些傳播時間法USF附有測量聲波傳播時間的功能，即可測量液體聲速以判斷所測液體類別。例如，油船泵送油品上岸，可核查所測量的是油品還是倉底水。缺點和局限性傳播時間法USF只能用于清潔液體和氣體，不能測量懸浮顆粒和氣泡超過某一范圍的液體；反之多普勒法USF只能用于測量含有一定異相的液體。外夾裝換能器的USF不能用于襯里或結垢太厚的管道，以及不能用于襯里（或銹層）與內管壁剝離（若夾層夾有氣體會嚴重衰減超聲信號）或銹蝕嚴重（改變超聲傳播路徑）的管道。多普勒法USF多數情況下測量精度不高。國內生產現有品種

16、不能用于管徑小于DN25mm的管道。第三節超聲波流量計分類和結構組成USF主要由安裝在測量管道上的超聲換能器（或由換能器和測量管組成的超聲流量傳感器）和轉換器組成。轉換器在結構上分為固定盤裝式和便攜式兩大類。換能器和轉換器之間由專用信號傳輸電纜連接，在固定測量的場合需在適當的地方裝接線盒。夾裝式換能器通常還需配用安裝夾具和耦合劑。圖7是系統組成示例，此例是測量液體用傳播時間法單聲道Z法夾裝式USF.分類可以從不同角度對超聲流量測量方法和換能器（或傳感器）進行分類。（ 1） 按測量原理分類封閉管道用USF按測量原理有5種，如2節所述，現在用得最多的是傳播時間法和多普勒法兩大類。（ 2） 按被測介

17、質分類有氣體用和液體用兩類。傳播時間法USF兩種介質各自專用，因換能器工作頻率各異，通常氣體在100300kHz之間，液體在15MHz之間。氣體儀表不能用夾裝式換能器，因固體和氣體邊界間超聲波傳播效率較低。（ 3） 傳播時間法按聲道數分類按聲道數分類常用的有單聲道、雙聲道、四聲道和八聲道四種。近年有出現三聲道、五聲道和六聲道。四聲道及以上的多聲道配置對提高測量精度起很大作用。各聲道按換能器分布位置（見圖8），又可分為以下幾種。1） 單聲道有Z法（透過法）和V法（反射法）兩種。2）雙聲道有X法（2Z法、交差法）、2V法和平行法三種。3） 四聲道有4Z法和平行法兩種。4） 八聲道有平行法和兩平行四

18、聲道交差法二種。（ 4） 按換能器安裝方式分類有、1） 可移動安裝2） 固定安裝超聲波流量計原理及選型指南2010-3-1917:26:00來源：北京中瑞能儀表技術有限公司瀏覽：367網友評論條點擊查看 插入式超聲流量計：可不停產安裝和維護。采用陶瓷傳感器，使用我公司專用鉆孔裝置進行不停產安裝。一般為單聲道測量，為了提高測量準確度，可選擇三聲道。 管段式超聲流量計：需切開管路安裝，但以后的維護可不停產。可選擇單聲道或三聲道傳感器。外夾式超聲流量計：能夠完成固定和移動測量。采用專用耦合劑（室溫固化的硅橡膠或高溫長鏈聚合油脂）安裝，安裝時不損壞管路。便攜式超聲流量計：便攜使用，內置可充電鋰電池，適

19、合移動測量，配接磁性傳感器。 手持式超聲流量計：體積小，重量輕，內置可充電鋰電池，手持使用，配接磁性傳感器。 防爆型超聲流量計：用于爆炸性環境液體流量測量，為防爆兼本安型。即轉換器為防爆型，傳感器為本質安全型。流量測量系統：由多臺超聲流量計和系統主站組成。適于多條管路的集中測量。 超聲熱量計：用于供熱系統的熱量測量。電池供電型超聲流量計：采用一節鋰電池供電的一體式超聲流量計。適于無市電供應的測量場合，一節電池可使用十年，具有多種測量功能。系列明渠流量計，用于液體明渠流量測量，測量傳感器可采用超聲速度傳感器、帕氏槽、PB槽、三角堰、矩形堰和全寬堰，并采用超聲液位測量。該系統明渠流量計測量準確、可

20、靠。采用超聲速度傳感器時，可測量大型渠道或涵洞的液體流量。 堰槽式明渠流量計：可使用帕氏槽、PB槽、三角堰、矩形堰、全寬堰進行明渠流量測量，液位傳感器采用超聲傳感器。 超聲式明渠流量計：采用超聲傳感器測量流速及液位。測量準確度高，適于大型渠道和涵洞的流量測量。根據測量準確度要求，超聲速度測量可選擇單聲道、雙聲道和三聲道。超聲波流量計超聲波流量計是近代發展起來的一種新型測量流量的儀表，只要能傳播聲音的流體均可以用超聲波流量計測量；超聲波流量計可以測量高粘度液體、非導電性液體或氣體的流量，其測量流速的原理是：超聲波在流體中的傳播速度會隨被測流體流速而變化。超聲波流量計一般不作結算計量儀表使用，對于

21、現場計量點損壞生產不能停機更換，又需要檢測參數指導生產的情況也往往用到超聲波流量計。超聲波流量計最大優勢是用于大口徑流量測量（管徑大于2米），即使有些結算用計量點，經過使用雙方認可，選用精度高的超聲波流量計，可以節約成本，并減少維護量。超聲波流量計的選型及應用摘要超聲波流量計是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表，它從80年代開始進入我國工業生產和計量領域，并在90年代得到迅速發展。文章對我佃國內市場上出現了各類超聲波流量進行了深入研究分析，結合多年的實際應用經驗，系統闡述了超聲波流量計的分類方法；從儀表性能、被測介質經濟性，實用性等方面總結了選用超聲波流量的原則，并對應用中如何選

22、位、安裝、維護提出具體建議，為用戶合理選擇和應用超聲波流量計提供了一些可以借鑒的經驗和方法。關鍵詞超聲流量計；換能器；時差式；安裝方式近幾年來，隨著電子技術、數字技術的發展，利用超聲波脈沖測量流體流量的技術發展很快，基于不同原理，適用于不同場合的各種型式的超聲波流量計得到了廣泛應用，同時也對廣大用戶提出如何認識超聲波流量計、怎樣選擇合適的類型，使用中應注意些什么問題等一系列問題，本文綜合國內超聲波流量計目前的發展情況及多年應用的實踐，對上述問題進行了些探討。1 超聲波流量計的分類超聲波流量計的各類很多，依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計。多譜勒式超聲波流量計換能器1發射頻率為f

23、1的超聲波信號，經過管道內液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，這就是多譜勒將就，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。當管道條件、換能器安裝位置、發射頻率、聲速確定以后，c、fl、8即為常數，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進而求得流體流量。時差式超聲波流量計時差式超聲波流量計是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。2 區別根據超聲波流量計使用場合不同，可以分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計。這兩類超聲波流量計的主要區別(1)適用的場合不同固定式超聲波流量計用于安裝在某一固定位置，對某一

24、特定管道內流體的流量進行長期不間斷的計量；便攜式超聲波流量計具有很大的機動性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時性測量。(2)供電方式不同固定式超聲波流量計要求長期連續運行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計既可以使用現場的交流電源，也備有內置充電電池，可以連續工作510h小時,大大方便了不同場合臨時性流量測量的需要。3 3)部分功能不同因定式超聲波流量計，通常都有4-20mA信號輸出等功能，供遠傳顯示使用，但其內部只能存貯一條管道的參數；便攜式超聲波流量計只是為了現場查看當時流量和短時間內的累計流量，故一般無輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時

25、存貯數十條不同管道的參數，供隨時調出使用。換能器供電方式不同可以分為外貼式、插入式、管段式三種超聲波流量計。1 1)外貼式外貼式超聲波流量計是生產最早，用戶最熟悉且應用最廣泛的超聲波流量計，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現了超聲波流量計安裝簡單、使用方便的特點。2 2)管段式某些管道因材質疏、導聲不良，或者銹蝕嚴重，襯里和管道內空間有間隙等原因，導致超聲波信號衰減嚴重，用外貼式超聲波流量計無法正常測量，所以產生了管段式超聲波流量計。管段式超聲波流量計把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計在測量中的一個難題。而且測量精度也比其它超聲波流量計要高，但同時也犧牲了外貼式超聲波流量計

26、不斷流安裝這一優點，要求切開管道安裝換能器。(3)插入式插入式超聲波流量計介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插入管道內，完成安裝。由于換能器在管道內，其信號的發射、接受只經過被測介質，而不經過管壁和襯里，所以其測量不受管質和管襯材料限制。3 超聲波流量計的選型超聲波流量計除上述各種類型外，近年來又出現了采用數字化電路的數字式超聲波流量計，把換能器和轉換器做在一起的一體式超聲波流量計，等等。面對眾多類型的超聲波流量計，用戶要根據實際情況和測量需要合理選型。多譜勒式超聲波流量計只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的

27、污水、雜志含量穩定的工廠過程液等。要注意它對被測介質要求比較苛刻，即不能是潔凈水，同時雜技含量要相對穩定，才可以正常測量，而且不同廠家的儀表性能及對被測廠家的要求也不一樣。選擇此類超聲波流量計即要對被測介質心中有數，也要對所選用的超聲波流量計的性能、精度和對被測介質的要求有深入的了解。便攜式超聲波流量計適用于臨時性測量，主要用于校對管道上已安裝其它流量儀表的運行狀態，進行一個區域內的流體平衡測試，檢查管道的當時流量情況等。如果不作固定安裝，而用于這些用途時，選用便攜式超聲波流量計既方便又經濟。時差式超聲波流量計目前生產最多、應用范圍最廣泛的是時差式超聲波流量計。它主要用來測量潔凈的流體流量，在

28、自來水公司和工業用水領域，得到廣泛應用。此外它也可以測量雜技含量不高（雜質含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體，如污水等介質的流量，而且精度可達±%。實際應用表明，選用時差式超聲波流量計，對相應流體的測量都可以達到滿意的效果。管道式超聲波流量計精度最高，可達到±%，而且不受管道材質、襯里的限制，適用于流量測量精度要求高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會隨增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計，較為經濟。固定式超聲波流量計如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，徹底消除了管襯、結垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩定性更高，也大大減小了

29、維護工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應用正在不斷推廣。有的廠家推出了內部為數字化電路的超聲波流量計，其特點是采用數字電路處理信號，糾錯能力增強，取樣及時，精度提高（模擬電路的精度為±%，數字電路可以達到±%，而且集成度提）高，儀表體積大大減小，有多種信號輸出模式供選擇，在實際應用也取得了很好的效果。用戶在使用中可以和模擬電路的超聲波流量計進行比較。超聲波流量計的功能選擇，用戶可以根據實際情況來確定。如果測量雙向流體，一定要選擇帶有正負計量功能的超聲波流量計；如果用戶需要定期了解流體在一定時段有流量情況，可以選擇帶打印機的超聲波流量計。總之，所選擇的超聲波流量計的功能既要滿足用戶需要，也不必貪多求全，造成許多功能閉置不用，而增加購買成本。4 超聲波流量計的應用超聲波流量計在應用中，需要注意以下幾個方面的問題：正確選擇這是超聲波流量計能夠正常工作的基礎。如果選型不當，或會造成流量無法測量，或者用戶使用不做便等后果。具體選型原則，前面已做了詳細的介紹。合理安裝換能器安裝不合理是超聲波流量計不能正常工作的主要原因。安裝換能器需要考慮位置的確定和方式的選擇兩個問題。確定位置時除保證足夠的上、下游直管段外，尤其要注意換能器盡量避開有變頻調速囂、電焊機等污染電源的場合。在安裝方式上，