4.7　超声流量计

4.7.1　时差法超声流量计

（1）测量原理

时差法超声流量计以测量声波在流动介质中传播的时间与流量的关系为原理。通常认为声波在流体中的实际传播速度是由介质静止状态下声波的传播速度 c 和流体轴向平均流速 v m 在声波传播方向上的分量组成，如图1-4-18所示。顺流和逆流传播时间分别为

式中 t u ——超声波在流体中逆流传播时间；

t d ——超声波在流体中顺流传播时间；

L ——声道长度；

c ——声波在流体中传播的速度；

v m ——流体的轴向平均流速；

ф ——声道角。

可利用式（1-4-19）可得流体流速为

由测得的多声道的流体流速 v i ， i =1，2，…， k ，可得管道平均流速的估算值 ，乘以过流面积 A ，即得体积流量 q ，

式中， ；

k ——声道数。

（2）时差法超声流量计分类（见表1-4-13）

（3）时差法超声流量计结构

时差法超声流量计由超声流量传感器和转换器构成，种类和规格较多。口径范围25～5000mm，甚至更大；精确度0.25%～2%（因厂家和型号有所不同）。

超声流量传感器是超声流量计的重要组成部分，包含换能器、管道（或标准管段）以及安装附件等。换能器质量优劣、声道尺寸（声程、声道角、管径、管段等）、耐压、耐环境温度、耐腐蚀性能对传感器十分重要。

传感器中，超声换能器数量不同。无源的流量开关中仅用一个。通常传感器使用1～5对换能器，甚至更多，以提高流速测量的精确度。每一对换能器是可逆的，即可以交替发射和接收声信号。声传播的路线通常称为声道，单声道的形状有Z式、V式、W式等。2～5声道的多平行于圆管直径等距离排列，或采用矩阵式排列，使声道在流速剖面上呈网状分布，如图1-4-19和图1-4-20所示。

超声换能器分为侵入式（穿透管壁的）或非侵入式。侵入式的与流体直接相接触，声道多样化，机械尺寸较为精确，如图1-4-19所示。

非侵入式传感器，或称夹装式，安装在管道上，亦可为管段式，其基本构成如图1-4-21所示。超声波通过声楔（塑料制品或金属材料）进入管道，穿越流体后，经对面的管壁、声楔为另一超声换能器所接收。从超声换能器1到超声换能器2的声信号为顺向，反之为逆向。非侵入式超声流量传感器的优点是不破坏管壁，不影响流场。若声楔为塑料制成， α 角约40°。

几种超声流量传感器的用途和适用范围如下。

a. 夹装式传感器。换能器在管道外安装，适用于固定式或便携式。换能器在管道外夹装式安装，不接触流体，不干扰流场，不受流体压力的影响，特别适合便携式使用和封闭管道中高压、强腐蚀和放射性流体流量的长期或短时测量。

b. 插入式传感器。用于管壁允许打通孔的管道。

c. 内置式传感器。安装于混凝土管或其管壁不允许打孔、换能器不能在管外进行安装的管道。

时差法超声流量计所采用的传感器形式较多，习惯上可以分为便携式和固定式，根据现场条件和要求而定，要求精度高的可选择多声道标准管段型传感器，直径2m以上的管道使用夹装式或插入式传感器较适合。

（4）转换器

时差法超声流量计转换器的硬件构成如图1-4-22所示，由微处理器和控制单元、发射单元、接收单元、键盘和显示单元组成。

微处理器控制流程，并进行数据处理，完成各种运算、补偿、定标等。发射单元组成框图如图1-4-23所示，发射的周期和脉宽视管径大小而异，周期为10ms左右，脉冲越窄越好，发射电压达数百伏。当对面的换能器收到声脉冲信号后，经切换电路开关，进入接收单元，如图1-4-24所示。信号被前置放大器放大，通过带通滤波器，由可调增益放大器放大，进入检波器。检波器实际上是一种比较器，将高于一定幅度的电压信号转化为数字脉冲信号，作为计时的停止指令，随后进行逆向声传播时间测量，该过程交替进行。

（5）时差法超声流量计主要特点

①可在不妨碍流体运动的情况下测量流速。无压力损耗，无活动部件，几乎没有磨损零部件。

②任何可以传播超声波的流体、非导电液体或气体均可测量流速、流量。

③一些产品可以干标定，而无需使用标准流量装置进行检定。

④时差法较适于测量纯净流体。较多气泡的液体或悬浮物会阻碍脉冲声波正常传播。

⑤具有较高的范围度。如测量水，口径为1000mm时，范围度可达1: 100。

（6）时差法超声流量计安装与调校

①超声流量计的安装：详细了解现场情况；确定安装方式；选择安装管段；计算安装距离，确定探头位置；管道表面处理；探头安装及接线；用示波器观察接收波形，微调并固定探头。

②换能器的安装

a. 选择安装地点。采用管外安装换能器的超声流量计应保证换能器前的流体是沿管轴平行流动。安装地点的选择必须保证换能器前有一定长度的直管段，所需直管段长度与流道上阻流件形式有关。一般，当管道内径为 D 时上游直管段长度应大于10 D ，下游大于5 D 。当上游有泵、阀门等阻流件时，直管段长度至少应有（30～50） D ，有时甚至要求更高，如距泵房要求70～100m。当采用双声道或多声道测量时，流量计的前直管段可以有明显缩短。

不同形式阻流件应配置的直管段长度见表1-4-14。

此外，还应注意换能器安装地点应避免强电磁场和管道振动等因素的影响，安装地点保证流体充满管道。

b. 选择安装方式。当流体平行于管轴流动时，通常用Z式安装可获得较高精度。但当流体流动方向与管轴不平行，存在半径方向的速度成分时，应采用V式、W式或交叉X式安装。对于地上管道长度有限，不足以采用V式、W式时，则应选用X式实施安装，此时接收换能器与发生换能器之间的距离较小。对于已配置好的流体管道，特别是测量大口径管道流量时，由于上游流动状态的干扰而易于造成测量误差的场合，应增加声道数，加权平均采样数据，以抵消流体扰动造成的测量误差。增加声道时，换能器的安装应使超声波传播路径均匀地置于流通截面上。一般认为4声道（即4对换能器）可满足要求。

③显示仪表的安装

a. 显示仪表安装地点。显示仪表的安装地点应选择振动冲击小的位置；注意避免电磁场的影响，仪表电源应避免引起电压波动；使用环境温度应在说明书中的范围之内；除特殊密封仪表外，应安装在无腐蚀性的环境中。

b. 连线长度。仪表与换能器之间的连线应用屏蔽线，连线长度按说明书要求，一般不超过500m。但在发电厂，由于干扰较大，连线长度一般不超过100m。

c. 调整和校验。超声流量计的调校因仪表测量电路不同而异，具体的调校步骤应按产品说明书要求进行，主要包括零点调整；阻尼设定；工作参数设定；不正常测量情况下输出设定；低流量切除。

4.7.2　多普勒超声流量计

（1）测量原理

多普勒超声流量计是基于声波的多普勒效应，只适用于被测流体中具有反射声波的颗粒场合，为工业用水、污水流量测量的重要测量仪表。分为便携式、固定式，超声换能器多为非侵入式。测量管径12～5000mm，精确度较低，一般为±1%～±5%。

多普勒超声流量计的测量原理如图1-4-25所示。发射换能器T发射一定频率的超声波 f t ，从流动液体内的气泡或固体颗粒上产生的散射波被接收换能器R所接收，其频率变化 f d 与粒子（或气泡）的移动速度 v 成正比。将换能器T、R分别设置在与液体流动方向垂直的 y 轴上且对称的位置上。设置换能器T、R的指向方向与 x 轴的夹角分别为 θ ，则接收到的频率 f r 为

由于液体的声速为1500m/s左右，被测流速仅每秒数米，即 c ≫ u ，于是上式变为

而多普勒频移 f d 为

因此可得

设管道截面积为 A ，管内平均流速为 ，则流量 q 为

引入流量补偿系数 K ， 。 K 与雷诺数 Re 有关，当 Re =10 5 ～10 7 ， K 为0.85～0.88，则

（2）多普勒超声流量计结构

单频多普勒超声流量计包括超声流量传感器和转换器，如图1-4-26所示。传感器由一对带声楔的超声换能器和标准管段组成。发射器产生一定的连续波频率 f t ，经放大后给发射换能器T。T所发射的超声波通过声楔传递到液体中，照射在流体气泡或颗粒上。接收换能器有良好的指向性，所接收到的散射波信号经放大与 f t 混频，检波放大，获得接收频率 f r 与 f t 的差值为 f d 。从而可得平均流速 ，进而求得流量。

近年来出现双频多普勒超声流量计具有抗噪声、提高测量精度的优点。

（3）多普勒超声流量计特点

①没有零点漂移。由于 f d 正比于 v ，流体静止时，不产生多普勒频移。因此变送器显示单元不产生零点漂移。

②双频多普勒法具有抗干扰噪声的能力。

③分辨力高。由于发射频率 f t 选择较高，对于所测流速可得到较高的 f d ，因此分辨力较高。

④测量与流体声速无关。

（4）多普勒超声流量计安装使用注意事项

①流体中微粒子浓度。由于多普勒法是利用气泡或微粒子反射的声信号工作的，因此流体中应含有微量浓度粒子。

②保证直管段长度，安装部位应合理。为保障管内液体流速分布较好，消除不均匀状态，直管段长度上游侧至少为15 D ，下游侧5 D 以上。若有阻流件存在，则一般的直管段安装推荐长度如表1-4-15所示。

③对于非侵入式传感器安装部位的管壁面应平坦、光滑，定位要相对准确。超声传感器与管壁之间的声耦合通过油脂实现。油脂可以是硅油、硅脂、凡士林、机油等。耦合层不能侵入空气、固体物。

④对于流量测量精确度要求不高的场所，如精确度为±5%，仪表不必经校验即可使用。双频多普勒超声流量计精确度为±1%，单频的可达±2%。若经过标定，精确度进一步提高。

⑤保证管道内径加工精度。