超聲流量計(jì)是指一種基于超聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播速度等于被測介質(zhì)的平均流速與聲波在靜止介質(zhì)中速度的矢量和的原理開發(fā)的流量計(jì)，主要由換能器和轉(zhuǎn)換器組成，有多普勒法、速度差法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型。

中文名

超聲流量計(jì)

外文名

ultrasonic flowmeter

簡    稱

USF

組    成

換能器和轉(zhuǎn)換器

特    點(diǎn)

無額外壓力損失等

學(xué)    科

測量學(xué)

工作原理

根據(jù)對信號檢測的原理，超聲流量計(jì)可分為傳播速度差法（直接時(shí)差法、時(shí)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(shí)差法：測量順逆?zhèn)鞑r(shí)傳播速度不同引起的時(shí)差計(jì)算被測流體速度。

它采用兩個(gè)聲波發(fā)送器（SA和SB）和兩個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)流速的測量。

2、相位差法：測量順逆?zhèn)鞑r(shí)傳播時(shí)由于時(shí)差引起的相位差計(jì)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(dòng)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(shí)傳播時(shí)的聲環(huán)頻率差。

當(dāng)超聲波在不均勻流體中傳送時(shí)，聲波會產(chǎn)生散射。流體與發(fā)送器間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)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(jì)中，發(fā)送器間隔地發(fā)送聲脈沖信號，在兩個(gè)聲脈沖間隔的時(shí)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(shí)可得到血液流量。 

特點(diǎn)

(1)超聲流量計(jì)可作非接觸測量。夾裝式換能器超聲流量計(jì)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(jì)在工業(yè)用流量儀表中具有的優(yōu)點(diǎn)，因此可作移動(dòng)性（即非定點(diǎn)固定安裝）測量，適用于管網(wǎng)流動(dòng)狀況評估測定。

(2)超聲流量計(jì)為無流動(dòng)阻撓測量，無額外壓力損失。

(3)超聲流量計(jì)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(rèn)為是在無法實(shí)現(xiàn)實(shí)流校驗(yàn)的情況下優(yōu)先考慮的選擇方案。

(4)超聲流量計(jì)可測量非導(dǎo)電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計(jì)的一種補(bǔ)充。

(5)某些傳播時(shí)間法超聲流量計(jì)附有測量聲波傳播時(shí)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(shí)間法超聲流量計(jì)只能用于清潔液體和氣體。

(7)外夾裝換能器的超聲流量計(jì)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(yán)重衰減超聲信號）或銹蝕嚴(yán)重（改變超聲傳播路徑）的管道。 ^[3]

分類

超聲波流量計(jì)的類很多。依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超聲波流量計(jì)。

(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(shí)間法和多普勒法兩大類。其中時(shí)差式超聲波流量計(jì)是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時(shí)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(shí)際應(yīng)用需要，時(shí)差式超聲波流量計(jì)分為便攜式時(shí)差式超聲波流量計(jì)、固定式時(shí)差式超聲波流量計(jì)、時(shí)差式氣體超聲流量計(jì)。

(2)按被測介質(zhì)分類

有氣體用和液體用兩類。傳播時(shí)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(shí)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(dòng)安裝式和固定安裝式兩種。

(5)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要分類

超聲波流量計(jì)又分為外夾式、插進(jìn)式、管段式3種。

外夾式超聲波流量計(jì)是生產(chǎn)、用戶最熟悉且應(yīng)用泛的超聲波流量計(jì)，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(jì)安裝簡單、使用方便的特點(diǎn)。

某些管道因材質(zhì)疏、導(dǎo)聲不良，或者銹蝕嚴(yán)重，襯里和管道內(nèi)空間有間隙等原因，導(dǎo)致超聲波信號衰減嚴(yán)重，用外貼式超聲波流量計(jì)無法正常測量，所以產(chǎn)生了管段式超聲波流量計(jì)。管段式超聲波流量計(jì)把換能器和丈量管組成一體，解決了外貼式流量計(jì)在測量中的一個(gè)困難，而且測量精度也比其他超聲波流量計(jì)要高，但同時(shí)也犧牲了外貼式超聲波流量計(jì)不斷流安裝這一優(yōu)點(diǎn)，要求切開管道安裝換能器。

插進(jìn)式超聲波流量計(jì)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(jìn)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。 ^[4]

選型

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

(1)被測介質(zhì)性質(zhì)。被測介質(zhì)不同，流量計(jì)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(shí)間差的測量，導(dǎo)致流量測量不穩(wěn)定并增大測量誤差，流量計(jì)上游應(yīng)安裝氣體分離器，以確保氣體及時(shí)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(jì)。

(3)介質(zhì)工況溫度。明確被測流體的常用溫度、溫度、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(dòng)性及防止掛壁，要做好流量計(jì)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(jì)工作壓力。制造商一般按照設(shè)計(jì)工作壓力選型，以保證流量計(jì)使用安全。

(5)準(zhǔn)確度等級和聲道數(shù)的確定。按照國家對能源計(jì)量器具的配備要求和生產(chǎn)的實(shí)際情況確定選用的流量計(jì)準(zhǔn)確度等級，要注意性能價(jià)格比合理。聲道數(shù)的選擇主要依據(jù)所要求的測量準(zhǔn)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、流量綜合考慮，流量計(jì)時(shí)間測量準(zhǔn)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(yuǎn)傳。需要信息遠(yuǎn)傳時(shí)，要明確信號類型和通訊方式。

(8)明確工藝管線的法蘭標(biāo)準(zhǔn)，如GB國家標(biāo)準(zhǔn)、JB機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)、HG化工部標(biāo)準(zhǔn)、SH石化標(biāo)準(zhǔn)，以及jIS日本標(biāo)準(zhǔn)和ANSI美國標(biāo)準(zhǔn)等。必須對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)配套連接法蘭，方便安裝。

(9)在選型時(shí)，應(yīng)同時(shí)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(kuò)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(dòng)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(jì)情況下，通常是聲道數(shù)越多測量準(zhǔn)確度越高，要求直管段越短。

(10)供電要求。現(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。 

應(yīng)用

各種超聲流量計(jì)已廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)計(jì)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(jì)量中，超聲流量計(jì)具有大量程比、無壓損的特點(diǎn)，在保證測量準(zhǔn)確度的同時(shí)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(jì)量中，超聲流量計(jì)具有大口徑、現(xiàn)場安裝、在線標(biāo)定的特點(diǎn)，使準(zhǔn)確測量成為可能。同時(shí)通過對水泵、水輪機(jī)單泵、單機(jī)的計(jì)量來實(shí)現(xiàn)設(shè)備優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的；

在工業(yè)冷卻循環(huán)水的計(jì)量中，超聲流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了在線不斷流帶壓安裝和在線標(biāo)定；

在商業(yè)計(jì)量方面多聲道超聲流量計(jì)已達(dá)到優(yōu)于0.2%的準(zhǔn)確度（示值誤差）。

(1)傳播時(shí)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(yàn);

(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。