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【摘 要】超声流量计是通过检测流体流动对超声束或超声脉冲的作用以测量流量的仪表。
【关键词】超声流量计；原理；结构及特点；选用注意事项；换能器
0.概述
根据对信号检测原理可分为两种常用时间差法超声流量计和多普勒超声流量计。在大管径流量测量中，其他流量计随着管径增大，制造成本会大幅度提高，而超声流量计的造价基本上与管径大小无关。另外对于流量计校验的难题，它可用绝对测量法，无需实流校验确定流量计的仪表常数。超声流量计与电磁流量计同为非接触式仪表，有检测件中无阻碍物、压损小等特点，但它应用的领域比电磁流量计要广泛得多，它可测非导电性流体，如油品、气体等。
1.工作原理
1.1传播速度差法
传播速度差法有时间差法、频率差法和相位差法，三种方法没有本质上的差别。目前时间差法是應用较多的方法。
声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同意传播具体就有不同的传播时间，利用传播时间之差与被测流体流速之关系求取流速称之为传播时间差法 1.2多普勒法
多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量。
2.超声流量计结构和特点
超声流量计主要特点：
（1）检测件内无阻碍物，无可动易损零部件，不干扰流场，不会堵塞，适用于测量脏污流、混相流等困难的被测量介质。
（2）无附加压损，用于大口径能源计量，节约泵能耗。
（3）与同样为非接触式测量仪表的电磁流量计相比，从被测介质、工作状态和管径等方面看应用范围要广泛的多。
（4）夹装式换能器仪表在工艺管道外部安装，可仍以选择位置移动安装。对于恶劣条件的被测对象（高压、易爆、高粘度、易挥发、强腐蚀、放射性介质等）因检测件无需与之接触带来很大的好处。
（5）特别擅用于大管道大流量测量，仪表造价于管道尺寸无关，原理上管道尺寸不受限制。
（6）流量计仪表系数可依据理论式计算求得，原则上无需实流校验。对于大管道，在不可能进行实流校验场合，此为应用的必要前提。
（7）多普勒法适于脏污流、混相流等困难测量对象的应用。
（8）90年代以后气体超声流量计被气体工业界接受为高准确度的计量器具，它已在天然气工业贸易输送，气体分配、控制合检漏等方面广泛使用，一些天然气流量计计量的疑难问题可望获得解决。
3.时间差法和多普勒超声流量计的选用注意事项
（1）超声波流量计有两种主要测量方法，选择的原则为：准确度要求较高，被测介质较洁净，则选用传播速度差法，多普勒法适用于含杂质的混浊介质，但准确度较低。传播速度法适用的介质：水类、油类、气体以及各种化学试剂、药液等。多普勒法适用的介质：含杂质多污水，各种浆液，油类。
（2）超声流量计的选型是一项比较复杂的工作，它涉及换能器类型，声道设置方式，转换器及其附件的选用，现场安装设计及配套器材等，必须既熟悉仪表品种性能及测试方法，又通晓现场测量对象的实际情况，才能选好仪表，最好是用户与生产厂两方面人员配合，协商解决。
（3）超声流量计选型包括被测介质种类，仪表性能参数，换能器类型及其适用范围，换能器夹具类型，转换器基本功能，直管段长度要求及声道设置等。
（4）测量精准度。
4.声道设置和直管段要求
多普勒法USF通常只有单套发送和接收换能器；便携式外夹装换能器传播时间法USF通常也只有单声道，其他夹装式则也有用双声道者，带测量管段式有单声道和双声道以上。
4.1传播时间法
传播时间法采用多少声道的主要依据是测量精确度要求和安装仪表管段流动状况为了获得流体沿管道中心平行对称地流动，测量点上下游要有足够的长度直管段作有效整流。不能满足时应设置流动调整器。
传播时间法USF直管段长度要求尚未有国际标准或国家标准规定值，应按制造厂提供的规定。
4.2对多普勒法USF的直管段要求也没有国际标准和国家标准的规定值
从原理上讲多普勒法仅测量“照射域”内散射体的流速，其测量值受流速分布影响比传播时间法大。为了尽量减少影响，应保证照射测量域的上下游有足够长度的直管段，以得到较好的流动状态。然而多普勒法USF本身测量精确度等性能较低，流速分布影响相对于总体测量精确度不重要，直管段要求反而降低。例如有仪表制造厂提出只要在测量点上下游保持大DN的直管段。
5.换能器类型的选择
5.1传播时间法
本类仪表可采用换能器的类型较多，各厂家换能器结构不同，适用的流体条件和安装条件等也不相同。此外还与声道的设置方法有关，而声道的设置方法又与测量精度和重复性等密切相关。气体用USF因固体和气体界面间超声波传播效率非常低，只能用直射式换能器。因此气体流量测量一般不采用外夹装式。
5.2多普勒法
本类仪表用的折射式换能器。目前国内产品大部分采用夹装式，但与传播时间法所用的夹装式换能的发射频率等技术性能不同，不能混用。然而两者适用管道条件是基本相同的。
6.安装布置方面的考虑
（1）安装位置和流动方向。USF的流量传感部分一般均可安装于水平、倾斜或垂直管道。垂直管道最好选择自下而上流动的场所，若为自上而下，则其下游应有足够的背压，例如有高于测量点的后续管道，以防止测量点出现非满管流。
（2）管道条件外夹装式。USF管道内表面积沉积层会产生声波不良传输和偏离预期声道路径和长度，应予避免；外表面因易于处理较少影响。夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂。应注意粒状结构材料的管道，很可能声波被分散，大部分声波传送不到流体而降低性能。换能器安装处管道衬里或锈蚀层与管壁之间不能有缝隙。
（3）上游流动扰动与大部分其他流量仪表一样，USF敏感于流过仪表的流速分布剖面，因此也要求相当长度的上游直管段。
（4）防止声干扰。应注意由控制阀高压力降等所形成的声学干扰，特别在测量气体流量时尤为重要，设法避免之。 [科]
【参考文献】
[1]陆德民主编制《石油化工自动控制设计手册》（第三版）.
[2]朱萍.解决超声波流量计在实际使用中遇到的问题[J].2005中国科协学术年会论文集.
【关键词】超声流量计；原理；结构及特点；选用注意事项；换能器
0.概述
根据对信号检测原理可分为两种常用时间差法超声流量计和多普勒超声流量计。在大管径流量测量中，其他流量计随着管径增大，制造成本会大幅度提高，而超声流量计的造价基本上与管径大小无关。另外对于流量计校验的难题，它可用绝对测量法，无需实流校验确定流量计的仪表常数。超声流量计与电磁流量计同为非接触式仪表，有检测件中无阻碍物、压损小等特点，但它应用的领域比电磁流量计要广泛得多，它可测非导电性流体，如油品、气体等。
1.工作原理
1.1传播速度差法
传播速度差法有时间差法、频率差法和相位差法，三种方法没有本质上的差别。目前时间差法是應用较多的方法。
声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同意传播具体就有不同的传播时间，利用传播时间之差与被测流体流速之关系求取流速称之为传播时间差法 1.2多普勒法
多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量。
2.超声流量计结构和特点
超声流量计主要特点：
（1）检测件内无阻碍物，无可动易损零部件，不干扰流场，不会堵塞，适用于测量脏污流、混相流等困难的被测量介质。
（2）无附加压损，用于大口径能源计量，节约泵能耗。
（3）与同样为非接触式测量仪表的电磁流量计相比，从被测介质、工作状态和管径等方面看应用范围要广泛的多。
（4）夹装式换能器仪表在工艺管道外部安装，可仍以选择位置移动安装。对于恶劣条件的被测对象（高压、易爆、高粘度、易挥发、强腐蚀、放射性介质等）因检测件无需与之接触带来很大的好处。
（5）特别擅用于大管道大流量测量，仪表造价于管道尺寸无关，原理上管道尺寸不受限制。
（6）流量计仪表系数可依据理论式计算求得，原则上无需实流校验。对于大管道，在不可能进行实流校验场合，此为应用的必要前提。
（7）多普勒法适于脏污流、混相流等困难测量对象的应用。
（8）90年代以后气体超声流量计被气体工业界接受为高准确度的计量器具，它已在天然气工业贸易输送，气体分配、控制合检漏等方面广泛使用，一些天然气流量计计量的疑难问题可望获得解决。
3.时间差法和多普勒超声流量计的选用注意事项
（1）超声波流量计有两种主要测量方法，选择的原则为：准确度要求较高，被测介质较洁净，则选用传播速度差法，多普勒法适用于含杂质的混浊介质，但准确度较低。传播速度法适用的介质：水类、油类、气体以及各种化学试剂、药液等。多普勒法适用的介质：含杂质多污水，各种浆液，油类。
（2）超声流量计的选型是一项比较复杂的工作，它涉及换能器类型，声道设置方式，转换器及其附件的选用，现场安装设计及配套器材等，必须既熟悉仪表品种性能及测试方法，又通晓现场测量对象的实际情况，才能选好仪表，最好是用户与生产厂两方面人员配合，协商解决。
（3）超声流量计选型包括被测介质种类，仪表性能参数，换能器类型及其适用范围，换能器夹具类型，转换器基本功能，直管段长度要求及声道设置等。
（4）测量精准度。
4.声道设置和直管段要求
多普勒法USF通常只有单套发送和接收换能器；便携式外夹装换能器传播时间法USF通常也只有单声道，其他夹装式则也有用双声道者，带测量管段式有单声道和双声道以上。
4.1传播时间法
传播时间法采用多少声道的主要依据是测量精确度要求和安装仪表管段流动状况为了获得流体沿管道中心平行对称地流动，测量点上下游要有足够的长度直管段作有效整流。不能满足时应设置流动调整器。
传播时间法USF直管段长度要求尚未有国际标准或国家标准规定值，应按制造厂提供的规定。
4.2对多普勒法USF的直管段要求也没有国际标准和国家标准的规定值
从原理上讲多普勒法仅测量“照射域”内散射体的流速，其测量值受流速分布影响比传播时间法大。为了尽量减少影响，应保证照射测量域的上下游有足够长度的直管段，以得到较好的流动状态。然而多普勒法USF本身测量精确度等性能较低，流速分布影响相对于总体测量精确度不重要，直管段要求反而降低。例如有仪表制造厂提出只要在测量点上下游保持大DN的直管段。
5.换能器类型的选择
5.1传播时间法
本类仪表可采用换能器的类型较多，各厂家换能器结构不同，适用的流体条件和安装条件等也不相同。此外还与声道的设置方法有关，而声道的设置方法又与测量精度和重复性等密切相关。气体用USF因固体和气体界面间超声波传播效率非常低，只能用直射式换能器。因此气体流量测量一般不采用外夹装式。
5.2多普勒法
本类仪表用的折射式换能器。目前国内产品大部分采用夹装式，但与传播时间法所用的夹装式换能的发射频率等技术性能不同，不能混用。然而两者适用管道条件是基本相同的。
6.安装布置方面的考虑
（1）安装位置和流动方向。USF的流量传感部分一般均可安装于水平、倾斜或垂直管道。垂直管道最好选择自下而上流动的场所，若为自上而下，则其下游应有足够的背压，例如有高于测量点的后续管道，以防止测量点出现非满管流。
（2）管道条件外夹装式。USF管道内表面积沉积层会产生声波不良传输和偏离预期声道路径和长度，应予避免；外表面因易于处理较少影响。夹装式换能器和管道接触表面要涂上耦合剂。应注意粒状结构材料的管道，很可能声波被分散，大部分声波传送不到流体而降低性能。换能器安装处管道衬里或锈蚀层与管壁之间不能有缝隙。
（3）上游流动扰动与大部分其他流量仪表一样，USF敏感于流过仪表的流速分布剖面，因此也要求相当长度的上游直管段。
（4）防止声干扰。应注意由控制阀高压力降等所形成的声学干扰，特别在测量气体流量时尤为重要，设法避免之。 [科]
【参考文献】
[1]陆德民主编制《石油化工自动控制设计手册》（第三版）.
[2]朱萍.解决超声波流量计在实际使用中遇到的问题[J].2005中国科协学术年会论文集.