超聲流量計工作原理

根據(jù)對信號檢測的原理，超聲流量計可分為傳播速度差法（直接時差法、時差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關(guān)法、空間濾法及噪聲法等。

1、時差法：測量順逆?zhèn)鞑r傳播速度不同引起的時差計算被測流體速度。

它采用兩個聲波發(fā)送器（SA和SB）和兩個聲波接收器

（RA和RB）。同一聲源的兩組聲波在SA與RA之間和SB與RB之間分別傳送。它們沿著管道安裝的位置與管道成θ角(一般θ=45°)（如圖1所示）。由于向下游傳送的聲波被流體加速，而向上游傳送的聲波被延遲，它們之間的時間差與流速成正比。也可以發(fā)送正弦信號測量兩組聲波之間的相移或發(fā)送頻率信號測量頻率差來實現(xiàn)流速的測量。

2、相位差法：測量順逆?zhèn)鞑r傳播時由于時差引起的相位差計算速度。

它的發(fā)送器沿垂直于管道的軸線發(fā)送一束聲波，由于流體流動的作用，聲波束向下游偏移一段距離。偏移距離與流速成正比。

3、頻差法：測量順逆?zhèn)鞑r傳播時的聲環(huán)頻率差。

當超聲波在不均勻流體中傳送時，聲波會產(chǎn)生散射。流體與發(fā)送器間有相對運動時，發(fā)送的聲波信號和被流體散射后接收到的信號之間會產(chǎn)生多普勒頻移。多普勒頻移與流體流速成正比。如圖2中被測流體的區(qū)域位于發(fā)射波束與接收到的散射波束的交叉之處。要求波束很窄，使兩波束的夾角θ不致受到波束寬度影響。也可只采用一個變換器既作為發(fā)送器又作為接收器，這種方式稱為單通道式。在單通道多普勒血液流量計中，發(fā)送器間隔地發(fā)送聲脈沖信號，在兩個聲脈沖間隔的時間中，接收從血管壁和血管內(nèi)紅血球反射回來的聲脈沖信號。采用控制線路選擇給定距離處的紅血球反射信號,通過比較后得到多普勒頻移,它與血液流速成正比。在已知血管橫截面時可得到血液流量。

(1)超聲流量計可作非接觸測量。夾裝式換能器超聲流量計可無須停流截管安裝，只要在既設(shè)管道外部安裝換能器即可。這是超聲流量計在工業(yè)用流量儀表中具有的獨特優(yōu)點，因此可作移動性（即非定點固定安裝）測量，適用于管網(wǎng)流動狀況評估測定。

(2)超聲流量計為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。

(3)超聲流量計適用于大型圓形管道和矩形管道，且原理上不受管徑限制，可認為是在無法實現(xiàn)實流校驗的情況下優(yōu)先考慮的選擇方案。

(4)超聲流量計可測量非導電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。

(5)某些傳播時間法超聲流量計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。

(6)傳播時間法超聲流量計只能用于清潔液體和氣體。

(7)外夾裝換能器的超聲流量計不能用于襯里或結(jié)垢太厚的管道，也不能用于襯里（或銹層）與內(nèi)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。

超聲波流量計的種類很多。依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計。

(1)按測量原理分類

封閉管道用USF按測量原理有多種，用得最多的是傳播時間法和多普勒法兩大類。其中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，廣泛應(yīng)用于江、河、水庫原水測量，石化產(chǎn)品工藝流檢測，生產(chǎn)過程耗水量測量等領(lǐng)域。根據(jù)實際應(yīng)用需要，時差式超聲波流量計分為便攜式時差式超聲波流量計、固定式時差式超聲波流量計、時差式氣體超聲流量計。

(2)按被測介質(zhì)分類

有氣體用和液體用兩類。傳播時間法USF兩種介質(zhì)各自專用，因換能器工作頻率各異，通常氣體在100～300 kHz之間，液體在l～5 MHz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(shù)分類

按聲道數(shù)分類常用的有單聲道、雙聲道、四聲道和八聲道4種。近年來，還出現(xiàn)了三聲道、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有很大的作用。

(4)按換能器安裝方式分類

可分為可移動安裝式和固定安裝式兩種。

(5)根據(jù)實際應(yīng)用的需要分類

超聲波流量計又分為外夾式、插進式、管段式3種。

外夾式超聲波流量計是生產(chǎn)最早、用戶最熟悉且應(yīng)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(xiàn)了超聲波流量計安裝簡單、使用方便的特點。

某些管道因材質(zhì)疏、導聲不良，或者銹蝕嚴重，襯里和管道內(nèi)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(chǎn)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丈量管組成一體，解決了外貼式流量計在測量中的一個困難，而且測量精度也比其他超聲波流量計要高，但同時也犧牲了外貼式超聲波流量計不斷流安裝這一優(yōu)點，要求切開管道安裝換能器。

插進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，把換能器插進管道內(nèi)，完成安裝。由于換能器在管道內(nèi)，其信號的發(fā)射、接收只經(jīng)過被測介質(zhì)，而不經(jīng)過管壁和襯里，所以其測量不受管質(zhì)和管襯材料限制。

在明確需求的計量等級后，準確掌握被測流體的技術(shù)參數(shù)和工藝管線實況，是正確選用超聲流量計的關(guān)鍵。

(1)被測介質(zhì)性質(zhì)。被測介質(zhì)不同，流量計選型差異很大。應(yīng)考慮介質(zhì)腐蝕性、防爆等級等要求。測量腐蝕性介質(zhì)的測量管和換能器應(yīng)選用不銹鋼材質(zhì)或滿足要求的其他材質(zhì)。

(2)介質(zhì)含氣量或顆粒物情況。介質(zhì)中氣體或顆粒物會阻礙聲脈沖的傳遞，影響時間差的測量，導致流量測量不穩(wěn)定并增大測量誤差，流量計上游應(yīng)安裝氣體分離器，以確保氣體及時排除。含氣量大或顆粒物多的介質(zhì)宜選用多普勒超聲流量計。

(3)介質(zhì)工況溫度。明確被測流體的常用溫度、最低溫度、最高溫度，可使制造商按照工況要求，選配測量管材質(zhì)、換能器材質(zhì)、電纜類型及密封材料等，溫度等級通常分為：60℃以下、150℃以下、200。C以下等。為保證介質(zhì)的流動性及防止掛壁，要做好流量計的伴熱，并控制伴熱溫度。

(4)介質(zhì)工況壓力。流體的常用工作壓力、設(shè)計最高工作壓力。制造商一般按照設(shè)計最高工作壓力選型，以保證流量計使用安全。

(5)準確度等級和聲道數(shù)的確定。按照國家對能源計量器具的配備要求和生產(chǎn)的實際情況確定選用的流量計準確度等級，要注意性能價格比合理。聲道數(shù)的選擇主要依據(jù)所要求的測量準確度等級和現(xiàn)場管道條件（直管段、流態(tài)、被測介質(zhì)的含氣量等）來確定。

(6)流量范圍。要根據(jù)流體的常用流量、最小流量、最大流量綜合考慮，流量計時間測量準確度相同的情況下，聲道越多低流速性能越好，量程范圍越大。

(7)信息遠傳。需要信息遠傳時，要明確信號類型和通訊方式。

(8)明確工藝管線的法蘭標準，如GB國家標準、JB機械部標準、HG化工部標準、SH石化標準，以及jIS日本標準和ANSI美國標準等。必須對應(yīng)標準配套連接法蘭，方便安裝。

(9)在選型時，應(yīng)同時綜合考慮直管段的要求和工藝管線合理布局及安裝的方式。例如：前后直管段情況，是否有彎頭、擴徑、三通、泵、閥門等；了解閥門種類和是否用于流量調(diào)節(jié)；安裝方式是水平安裝、垂直安裝、固定安裝還是移動安裝；是否存在雙向流情況及流向變化頻次和規(guī)律；在相同原理、相同形式流量計情況下，通常是聲道數(shù)越多測量準確度越高，要求直管段越短。

(10)供電要求?，F(xiàn)場供電（交流或直流、電池），電壓范圍，控制器的接口要求幾線制等。

各種超聲流量計已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)計量和水利檢測等方面，如：

在市政行業(yè)的原水、自來水、中水、污水的計量中，超聲流量計具有大量程比、無壓損的特點，在保證測量準確度的同時提高了管網(wǎng)的輸水效率；

在水利水電行業(yè)的輸水管道、渠道、泵站、電站的流量計量中，超聲流量計具有大口徑、現(xiàn)場安裝、在線標定的特點，使準確測量成為可能。同時通過對水泵、水輪機單泵、單機的計量來實現(xiàn)設(shè)備優(yōu)化、經(jīng)濟運行的目的；

在工業(yè)冷卻循環(huán)水的計量中，超聲流量計實現(xiàn)了在線不斷流帶壓安裝和在線標定；

在商業(yè)計量方面多聲道超聲流量計已達到優(yōu)于0.2%的準確度（示值誤差）。

(1)傳播時間法應(yīng)用于清潔、單相液體和氣體。典型應(yīng)用有工廠排放液、:怪液、液化天然氣等;

(2)氣體應(yīng)用方面在高壓天然氣領(lǐng)域已有使用良好的經(jīng)驗;

(3)多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠排放液、臟流程液;通常不適用于非常清潔的液體。

氣體超聲流量計主要用于各類氣體的流量計量，包括天然氣、煤氣、焦爐煤氣、水煤氣、煤制氣、煤層氣、瓦斯氣、CNG、LNG、LPG、火炬氣、沼氣、氫氣等可燃氣體的計量，也能夠?qū)諝?、氮氣、惰性氣體等特種氣體進行可靠計量。

其中，測量煙氣的超聲氣體流量計，也叫煙氣超聲流量計。

上世紀九十年代以來，超聲波技術(shù)開始應(yīng)用于氣體流量測量領(lǐng)域。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，使得氣體超聲流量計在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用得到了突破性的進展。

氣體超聲流量計具有準確度高、測量范圍寬、無流阻部件造成的壓力損失、可雙向測量流量、能測量穩(wěn)態(tài)及低頻脈動氣流的流量、適用于各種不同管道直徑、并能通過流量計算機對管道中氣體溫度和壓力的變化進行有效的修正等特點。