超聲波流量計(jì)（UltrasonicFlowmeter） 是通過檢測(cè)流體流動(dòng)時(shí)對(duì)超聲波（超聲脈沖）的作用，以測(cè)量體積流量的儀表。超聲波流量計(jì)具有如下主要特點(diǎn)：被測(cè)流體中不插入任何元件，對(duì)流速無影響，也沒 有壓力損失；能用于任何液體，特別是具有高黏度、強(qiáng)腐蝕，非導(dǎo)電性等性能的液體的流量測(cè)量，也能測(cè)量氣體的流量；對(duì)于大口徑管道的流量測(cè)量，不會(huì)因管徑大 而增加投資；量程比較寬，可達(dá)5∶1；輸出與流量之間呈線性等。

    由于這些*的優(yōu)點(diǎn)，超聲波流量計(jì)的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)成為常用的流量計(jì)之一，其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，具有相當(dāng)好的發(fā)展前景。

    超聲波流量計(jì)的檢測(cè)原理包括兩種：時(shí)差法和多普勒法。目前，市場(chǎng)上zui常用的超聲波流量計(jì)為時(shí)差法超聲波流量計(jì)。多普勒法超聲波流量計(jì)由于對(duì)被測(cè)介質(zhì)要求較高，存在一定的局限性。下面就分別介紹這兩種超聲波流量計(jì)的檢測(cè)原理與選型應(yīng)用。

    1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的工作原理

    如圖1所示，為管道式安裝的超聲波流量計(jì)測(cè)量時(shí)的示意圖，可以清楚的表示出超聲波在傳感器探頭A和B之間的管道內(nèi)傳播的簡(jiǎn)化幾何關(guān)系。其中，超聲波傳播的聲道與管道的軸線間夾角為β，管徑為D。

    超聲波穿過管道如同渡船過河流，如果管道內(nèi)沒有液體流動(dòng)，超聲波將以相同的速度向兩個(gè)方向傳播。當(dāng)管道中的流體流速不為零時(shí)，沿流動(dòng)方向順 流傳播的超聲波將加快速度，而逆流傳播的超聲波將變緩慢。因此，相對(duì)于沒有流體流動(dòng)的情況，當(dāng)管道中存在流體流動(dòng)時(shí)，順流傳播的時(shí)間t_D將縮短，逆流傳播的時(shí)間t_U將增長(zhǎng)。根據(jù)這兩個(gè)傳播時(shí)間差，就可以計(jì)算出管道中流體流速。這就是時(shí)差法超聲波流量計(jì)的基本測(cè)量原理。

圖1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量示意圖

    在圖1中，有下面的關(guān)系成立：

        （1）

        （2）

    將以上式（1）和式（2）聯(lián)立并解之，可得：

        （3）

    式中　L—超聲波在還能器之間的傳播路徑長(zhǎng)度，m；

    X—聲道長(zhǎng)度在管軸線的平行線上的投影長(zhǎng)度，m；

    t_D，t_U—超聲波順流傳播時(shí)間和逆流傳播時(shí)間，s；

    C—超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s；

    Vm—流體通過換能器之間聲道上的平均流速，m/s。

    其實(shí)，式（3）中計(jì)算得到的流速還只是沿聲道傳播方向的流體速度的平均值。而用戶想知道的是管道橫截面上的平均流速V。由Vm計(jì)算V，一般會(huì)引入一個(gè)速度分布校準(zhǔn)系數(shù)Kc，即可得：

    V=KcVm?。?）

    式中　V—管道橫截面上的平均流速，m/s；

    Vm—流體通過換能器之間聲道上的平均流速，m/s。

    Kc—速度分布校準(zhǔn)系數(shù)。

    Kc的數(shù)值主要取決于流體的雷諾數(shù)。如果聲道在通過管道軸線的平面內(nèi)，則由式（5）給出Kc的一個(gè)近似值：

        （5）

    式中　Re_D—流體的雷諾數(shù)；

    對(duì)于充分發(fā)展的紊流，如果聲道不在通過管道軸線的平面內(nèi)（即傾斜的弦線），這Kc系數(shù)及它與雷諾數(shù)的關(guān)系都將不同。

    2 多普勒法超聲波流量計(jì)工作原理

    多普勒（效應(yīng)）法是利用聲學(xué)多普勒原理確定流體流量的。多普勒效應(yīng)是當(dāng)聲源和目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起聲波在頻率上的變化。這種頻率變化正比于運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)和靜止的發(fā)射換能器之間的相對(duì)速度。圖2是多普勒流量計(jì)測(cè)量時(shí)的示意圖。

圖2 多普勒法超聲波流量計(jì)測(cè)量示意圖

    如圖2所示，超聲波流量計(jì)的傳感器探頭A和B安裝在管道外，其中A為發(fā)射探頭，B為接受探頭。A向流體發(fā)出頻率為fA的連續(xù)超聲波，經(jīng)照射域內(nèi)液體中散射體懸浮顆?；驓馀萆⑸洌⑸涞某暡óa(chǎn)生多普勒頻移f_d，探頭B接收到頻率為f_B的超聲波，可知：

        （6）

    式中　V—散射體運(yùn)動(dòng)的速度，m/s；

    C—超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s；

    θ—聲道角。

    由于液體的聲速為1500m/s左右，被測(cè)流速僅僅為每秒數(shù)米，即C遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于V，由此式（6）可以簡(jiǎn)化為：

        （7）

    多普勒頻移f_d正比于散射體流動(dòng)速度，即：

        （8）

    由式（8）可知，

        （9）

    多普勒超聲波流量計(jì)就是通過以上原理測(cè)量管道中流體流速的。