浅谈超声波流量计的选型

1 概述

    超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成，是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算，这样就实现了流量的检测和显示。

    2 分类

    2.1 按照测量原理不同分类

    目前常采用两种类型的超声波流量计，一种为多普勒超声波流量计，另一种为时差式超声波流量计。多普勒型是利用相位差法测量流速，即某一已知频率的声波在流体中运动，由于液体本身有一运动速度，导致超声波在接收器与发射器之间的频率或相位发生相对变化，通过测量这一相对变化就可获得液体速度；时差型是利用时间差法测量流速，即某一速度的声波由于流体流动而使得其在接收器与发射器之间传播时间发生变化，通过测量此时间变化就可获得流体流速。

    2.1.1 多谱勒式超声波流量计

    多普勒式超声波流量计测量原理图如图1所示。如图1，换能器1发射频率为f₁的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f₂的频率反射到换能器2，f₂与f₁之差即为多谱勒频差f_d。设流体流速为v，超声波声速为c，多谱勒频移f_d正比于流体流速v，则

    当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f₁、θ即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过测量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。

    2.1.2 时差式超声波流量计

    时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的。如图2，换能器1向换能器2发射超声波信号，这是顺流方向，其传播时间为：

    反之，逆流方向的传播时间为：

    时间差为：

    由于c>>v，故

    所以，流体流速

    其中c、L、θ均为常数，测得时间差△t即可求出流体流速v进而求得流体流量。

    2.2 按照使用方式不同分类

    根据超声波流量计使用方式、使用场合的不同，可分为固定式超声波流量计和便携式超声波流量计。它们的主要区别如下：

    2.2.1 适用场合不同

    固定式超声波流量计用于安装在某一固定位置，对某一特定管道内流体的流量进行长期不间断的计量；便携式超声波流量计具有很大的机动性，主要用于对不同管道的流体流量作临时测量。

    2.2.2 供电方式不同

    固定式超声波流量计要求长期连续运行，所以要使用220V交流电源，便携式超声波流量计既可以使用现场的交流电源，也备有内置充电电池，可以连续工作5～10小时，方便了不同场合临时流量测量的需要。

    2.2.3 部分功能不同

    固定式超声波流量计，通常都有4-20mA信号输出等功能，供远传显示使用，但其内部只能存贮一条管道的参数；便携式超声波流量计只是为了现场查看当时流量和短时间内的累计流量，故一般无输出信号功能，但为了方便测量不同管道流量，它具有丰富的贮存功能，可以同时存贮数十条不同管道的参数，供随时调出使用。

    2.2.4 换能器供电方式不同

    可分为外贴式、插入式、管段式三种。a.外贴式：是生产*早，大家*熟悉、应用*广泛的超声波流量计，安装换能器无需管道断流，即贴即用，它充分体现了超声波流量计安装简单、使用方便的特点。b.管段式：某些管道因材质疏、导声**，或者锈蚀严重，衬里和管道内空间有间隙等原因，导致超声波信号衰减严重，用外贴式无法正常测量，便产生了管段式超声波流量计。它把换能器和测量管组成一体，解决了外贴式流量计在测量中的一个难题，而且测量精度也更高，但同时也牺牲了外贴式超声波流量计不断流安装这一优点，要求切开管道安装换能器。c.插入式：插入式超声波流量计介于上述二者中间。在安装上可以不断流，利用专门工具在管道上打孔，把换能器插入管道内，完成安装。由于换能器在管道内，其信号的发射、接收只经过被测介质，而不经过管壁和衬里，所以其测量不受管质和管衬材料限制。

    3 超声波流量计的特点

    众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，如造价提高、能损加大、安装不便等，而超声波流量计均可避免。因为超声波流量计是管外安装、非接触测量，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，所以被认为是较好的大管径流量测量仪表。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流。

    另外，流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。此外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的，不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型等流量计可以适应不同介质、不同场合和不同管道条件的流量测量。超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能测量200℃以下的流体。另外，超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。这是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声波在液体中的传播速度约为1500m/s，被测流体流速（流量）变化带给声速的变化量*大也是10^-3数量级。若要求测量流速的准确度为1％，则对声速的测量准确度需为10^-5～10^-6数量级，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。

    4 常见各类超声波流量计的应用特征

    4.1 多谱勒式超声波流量计

    只能用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂质含量稳定的工厂过程液等。要注意它对被测介质要求比较苛刻，不能是洁净水，杂质含量要相对稳定，才可以正常测量。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。

    4.2 便携式超声波流量计

    用于临时性测量，主要用于校对管道上已安装的其它流量仪表，进行一个区域内的流体平衡测试，检查管道的当时流量情况等。其优点是方便、经济。

    4.3 时差式超声波流量计

    目前生产*多、应用范围*广泛的超声波流量计。它主要用来测量洁净的流体流量，在自来水公司和工业用水领域，得到广泛应用。此外它也可以测量杂质含量不高（含量小于10g/L，粒径小于1mm）的均匀流体，如污水的测量，而且精度可达±1.5%。实际应用表明，选用时差式超声波流量计，对流体的测量都能达到满意的效果。

    4.4 管段式超声波流量计

    精度*高，可达到±0.5%，而且不受管道材质、衬里的限制，适用于流量测量精度要求高的场合。但随着管径的增大，成本也会增加，通常情况下，选用中小口径的管段式超声波流量计较为经济。

    4.5 固定式超声波流量计

    如果有足够的安装空间，使用插入式换能器代替外贴式换能器，彻底消除了管衬、结垢及管壁对超声波信号衰减的影响，测量稳定性更高，也大大减小了维护工作量。而且，由于插入式换能器也可以不断流安装，所以其应用正在不断推广。

    结束语

    超声波流量计种类多、应用广，在流量测量方面发挥着越来越重要的作用，而且其技术更新很快，不断有新型的超声波流量计推出。正确的选型是超声波流量计能够正常工作的基础。所以把握好超声波流量计的种类、性能，更好的了解它，就能更好的选择它、应用它。

    参考文献

    [1]赵玉珠.测量仪表与自动化[M].北京：石油大学出版社，1997.
    [2]大连海峰超声波流量计使用说明书.