第六章超声波流量计
超声波流量计的原理及应用
超声波流量计的原理及应用超声波流量计是一种利用超声波技术来测量流体流量的仪器。
它通过发送超声波脉冲，测量超声波在流体中的传播时间来确定流速，并根据流速和管道截面积计算出流量。
超声波流量计的原理是基于多普勒效应和声速传播原理，广泛应用于工业自动化、环保监测、水利水电、石油化工等领域。
超声波流量计的工作原理主要包括声速传播原理和多普勒效应两部分。
首先是声速传播原理，超声波在流体中传播的速度与流体的流速有关，当超声波沿着流体流动方向传播时，其传播速度会受到流体流速的影响。
根据声速传播原理，测量超声波在流体中传播的时间可以得到流速的信息。
其次是多普勒效应，当超声波遇到流体流动时，因为流体流速的影响导致超声波的频率发生变化，这种变化即为多普勒效应。
通过测量多普勒频移，可以得到流体的流速信息。
超声波流量计的应用范围非常广泛，包括但不限于以下几个方面：一、工业自动化领域在工业生产中，流量是一种重要的工艺参数，对流体的流量进行准确测量是保证工业生产质量的关键。
超声波流量计可以应用于水泥、化工、冶金、造纸等行业，用于测量水、蒸汽、液体或气体等的流量。
其非侵入式的测量方式保证了测量的准确性和稳定性，广泛应用于工业自动化生产中。
二、环保监测领域超声波流量计在环保监测领域也有着重要的应用。
在污水处理厂、水处理设备等环境中，需要对流体的流量进行监测和控制，以保证环境保护的需要。
超声波流量计可以应用于这些领域，通过对流体流速和流量的准确测量，实现对环保设备的高效运行和环境保护的实现。
三、水利水电领域水力发电厂、水库、水泵站等水利水电设施对水流量的监测和管理非常重要。
超声波流量计可以应用于这些领域，用于准确测量水流速和水流量，帮助实现对水资源的合理利用和水利工程的安全运行。
四、石油化工领域在石油化工领域，对流体流量的准确测量是保障生产质量和安全的重要环节。
超声波流量计可以应用于原油、天然气、炼油、化肥等领域，用于测量液体和气体的流量，并实现对生产过程的准确控制。
超声波流量计课件
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目
• 超声波流量计概述 • 超声波流量计的应用 • 超声波流量计的安装与调试 • 超声波流量计的维护与保养 • 超声波流量计的发展趋势与展望
01
超声波流量计概述
定义与工作原理
定义
超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表，通过测量流体中超声波信号的传播速度来推算流体的流速和流量。
按安装方式分类
超声波流量计可分为外夹式、管段式和插入式等。
按测量通道分类
超声波流量计可分为单通道和多通道两种。
超声波流量计的特点与优势
非接触式测量
超声波流量计不与流体直接接触， 对流体的温度、压力、粘度等参 数影响较小。
适用范围广
超声波流量计可适用于多种流体 介质，如气体、液体和浆液等。
高精度测量
工作原理
超声波流量计通常由一对或多对超声波换能器组成，一个作为发射器，另一个作为接收器。发射器发出超声波信 号，流体中的声波传播速度受到流速的影响，接收器接收到信号后，通过测量声波传播时间与无流动时的传播时 间之差，计算出流体的流速和流量。
超声波流量计的分类
1 2
3
按测量原理分类
超声波流量计可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、 噪声法等。
未来发展方向与趋势
集成化与模块化
实现超声波流量计的集成化和模块化，便于安装和维护。
无线传输与远程监控
实现流量计数据的无线传输和远程监控，提高管理效率。
多参数测量
拓展超声波流量计的多参数测量功能，如温度、压力等，提供更全 面的流体参数信息。
THANKS
04
超声波流量计的维护与保养
日常维护与灰尘、污
02
垢等杂质的积累。
超声波流量计
流量=流速 截面积 流量 流速*截面积 流速
中油管道投产运行公司 川气东送川气东送-鄂西管理处
► 工况体积瞬时流量
= 面积 * Ve ► 标准体积瞬时流量 =工况体积瞬时流量 * 工 工况体积瞬时流量 况密度 / 标准密度 ► 质量瞬时流量 =工况体积瞬时流量 *工况密 工况体积瞬时流量 工况密 度
2
v = 流体速度 c = 声速 t1 = 上游传输时间 t2 = 下游传输时间
川气东送-鄂西管理处
多通道即多路流速测量!
A B C D
L (t1 -t2 ) Vn = 2x (t1 t2 )
2
Σ Vavg = n=1 Wn Vn
4
多通道流量计
中油管道投产运行公司
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流速测量
中油管道投产运ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ公司 川气东送-鄂西管理处
► 2、
超声流量计表体安装 超声流量计表体安装各厂家要求各不相同， 超声流量计表体安装各厂家要求各不相同， 一般应保证表体水平安装， 一般应保证表体水平安装，有的还应将表体 法兰上定位销孔与上、 法兰上定位销孔与上、下游直管段相应销孔 对齐。安装时应留有足够的检修空间。 对齐。安装时应留有足够的检修空间。 ► 3 、突入物 超声流量计的内径、连接法兰及其紧邻的上、 超声流量计的内径、连接法兰及其紧邻的上、 下游直管段应具有相同的内径， 下游直管段应具有相同的内径，其偏差应在 管径的± 以内； 管径的±1％以内；
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超声波流量计的结构
气体超声流量计的结构主要取决于以下几个方面： （1）声波探头的设置方式。外置式或内置接触 ）声波探头的设置方式。 式，气体超声流量计一般采用将接收和发射换能 器插入管内至内壁边缘。 器插入管内至内壁边缘。 （2）声波的接收方式。 ）声波的接收方式。 直射式： ① 直射式：直接接收发射探头的声波 反射式：接收经管壁反射以后的声波。 ② 反射式：接收经管壁反射以后的声波。即接 收换能器不是直接接收发射换能器发出的声波， 收换能器不是直接接收发射换能器发出的声波， 而是接收经管壁一次反射或再次反射回的声波。 而是接收经管壁一次反射或再次反射回的声波。
超声波流量计 原理
超声波流量计原理
超声波流量计是一种利用超声波传播特性来测量流体流量的仪器。
其原理基于多普勒效应和时间差法。
多普勒效应是指当发射器和接收器相对于被测流体运动时，接收到的超声波频率与发射时的频率之间存在差异。
如果被测流体是静止的，则接收到的频率与发射时相同。
但如果被测流体在某个方向上运动，则接收到的频率会发生变化。
通过测量频率的变化，可以确定流体的流速。
时间差法是指利用超声波在流体中传播的时间差来计算流速。
超声波在传播过程中，若流体是静止的，则发射器和接收器之间的时间差与流速无关。
但如果流体在某个方向上运动，则超声波在流体中传播的时间将会受到影响。
通过测量发射器和接收器之间的时间差，可以计算出流速。
超声波流量计通常由发射器和接收器组成。
发射器将超声波发射到流体中，接收器接收到从流体中反射回来的超声波，并进行频率或时间的测量。
根据测量结果以及流体特性的已知参数，可以计算出流体的流速和流量。
超声波流量计的组成
超声波流量计的组成1. 引言超声波流量计是一种常用于测量液体流速的仪器，它利用超声波的传播特性来确定流体的流速。
本文将介绍超声波流量计的组成部分，包括传感器、信号处理器和显示器等。
2. 传感器超声波流量计的传感器是测量流体流速的关键部件。
传感器通常由发射器和接收器组成。
发射器会发射超声波信号，而接收器则接收反射回来的信号。
根据多普勒效应，当超声波与流体相互作用时，其频率会发生变化。
通过测量接收到的信号频率的变化，可以确定流体的流速。
传感器的设计通常采用了特殊的材料，以确保其对流体的物理性质具有良好的适应性。
此外，传感器还需要具备高灵敏度和高稳定性，以确保测量结果的准确性和可靠性。
3. 信号处理器传感器接收到的超声波信号需要经过信号处理器进行处理，以提取出有关流体流速的信息。
信号处理器通常包括放大器、滤波器和模数转换器等。
放大器用于增强接收到的信号的幅度，以提高信号的可靠性和稳定性。
滤波器则用于去除噪声和干扰，以确保测量结果的准确性。
模数转换器将模拟信号转换为数字信号，以便后续的数字信号处理。
信号处理器还可以根据需要进行其他的信号处理操作，例如校准和校正。
这些操作可以进一步提高测量结果的准确性和可靠性。
4. 显示器显示器用于显示测量结果，通常以数字或图形的形式呈现。
显示器可以直接连接到信号处理器，以实时显示流体的流速。
一些高级的超声波流量计还可以提供其他的显示功能，例如流速曲线、报警信息等。
显示器的设计通常考虑到易读性和操作性。
它通常具有大尺寸的显示屏幕和友好的用户界面，以便用户可以方便地读取和操作测量结果。
5. 其他组成部分除了传感器、信号处理器和显示器外，超声波流量计还可能包括其他的组成部分，以满足特定的应用需求。
例如，一些超声波流量计可能还包括温度传感器，以测量流体的温度。
温度的测量可以对流速进行修正，以提高测量结果的准确性。
另外，一些超声波流量计还可能包括数据存储和通信模块，以便将测量结果保存或传输到其他设备。
第六章 流量测量(新)
第一节 流量测量的基本知识
一、流体的流量 流量的定义：流体流量是指单位时间内流过管道或明渠某一截 面流体的量，也称为瞬时流量。 在某一段时间间隔内流过某一截面的流体的量称为流过的总量， 也称作积分流量或累积流量。总量除以得到总量的时间就称为 该段时间内的平均流量。 流体流量的表示：一般可分为质量流量 qm 和体积流量 qV。 两 者之间满足以下关系：
式中
n——椭圆齿轮的旋转次数；V0——半月形测量室 的容积； R——容积室的半径； a，b——椭圆齿 轮的长半轴和短半轴；δ——椭圆齿轮的厚度。
椭圆齿轮流量计的工作原理
腰轮流量计
二、容积式流量计的特点
1．测量准确度高，一般可达±(0.1～0.5)％，是所有流 量仪表中测量精度最高的一类仪表。 2．安装管道条件对流量计计量精度没有影响，流量计前 不需要直管段，这使得容积式流量计在现场使用有 极重要的意义。 3．测量范围较宽，典型的流量量程比可为5:1到10:1， 特殊的可达30:1。 4. 机械结构较复杂，体积庞大笨重，一般只适用于中小 口径仪表。 5. 大部分容积式流量计只适用于洁净单相流体。测量含 有颗粒、脏污物的流体时需安装过滤器，测量含有 气体的液体时必须安装气体分离器。
l m 1 1.25 D
所以，体积流量与频率f之间的关系为：
d d qv D (1 1.25 ) f 4 D St
2
二、涡街流量计的结构
涡街流量计由传感器和转换器两部分组成。 传感器包括旋涡发生体、检测元件、安装架和法 兰等。 转换器包括前臵放大器、滤波整形电路、接线端 子、支架和防护罩等。智能式仪表还将CPU、存储单元、 显示单元、通讯单元及其他功能模块也装在转换器内， 形成智能型和组合型涡街流量。 旋涡发生体是涡街流量计的关键部件，一般采用 1Cr18Ni12Mo2Ti 不锈钢。旋涡发生体的几何参数大多 通过实验确定。旋涡发生体的形状按柱形分，它有圆 柱、三角柱、梯形柱、T形柱等；按结构分，它有单体、 双体和多体之分。
超声波流量计的测量原理
超声波流量计的测量原理超声波流量计超声波流量计是一种非接触式流量测量仪表，近20多年发展迅速，已成为流量测量仪表中一种不可缺少的仪表。
尤其在大管径管道流量测量，含有固体颗粒的两相流的流量测量，对腐蚀性介质和易燃易爆介质的流量侧量，河流和水渠等敞开渠道的流量及非充满水管的流量测量等方面，与其他测量方法相比，具有明显的优点。
超声波流量计的测量原理超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性实现流量测量的。
电磁流量计超声波在流体中传播时，将载上流体流速的信息。
因此，通过接收到的超声波，就可以检测出被测流体的流速，再换算成流量，从而实现测量流量的目的。
利用超声波测量流且的方法很多。
根据对信号检测的方式，大致可分为传播速度法、多普勒法、相关法、波束偏移法等。
在工业生产测量中应用传播速度法最为普遍。
1.传播速度法根据在流动流体中超声波顺流与逆流传播速度的视差与被测流体流速有关的原理，检测出流体流速的方法，称为传播速度法。
很据具体测最参数的不同，又可分为时差法、相差法和频差法。
传播速度法的基本原理如图2.59所示。
远传式水表从两个作为发射器的超声换能器T, , T,发出两束超声波脉冲。
各自达到下、上游两个作为接收器的超声换能器R，和RZ。
设流体静止时超声波声速为C，发射器与接收器的间距为L。
则当流体速度为时，顺流的传播时间为式中，L, C均为常量，所以只要能测得时差At，就可得到流体流速。
，进而求得流最p。
这就是时差法。
时差法存在两方面间题:一是计算公式中包括有声速C，可拆卸螺翼式水表它受流体成分、沮度影响较大，从而给测量带来误差;另一是顺、逆传播时差At的数量级很小(约为10-’一10"9s),测量Lt，过去需用复杂的电子线路才能实现。
相差法是通过测量上述两超声波信号的相位差△lp来代替测量时间差6r的方法。
如图2.61，设顺流方向声波信号的相位为9).二“:;逆流方向声波信号的相位为T2 =则结合式(2.56)可得逆、顺流信号的相位差为式中。
超声波流量计
• 金属构件、混凝土制品、塑料制品、陶瓷制品的探 伤及厚度检测； • 浓度、硬度、温度检测等； • 作为开关、用于测量距离等。 • 流量、液位、料位检测。
超声波流量计
• 超声波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。 • 根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法 (时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、 互相关法、空间滤法及噪声法等。
速度差的测量方法
• 速度 C u 为两个分速度向量和， 为了使问题简化，认为顺流 时Cu=C+ucos θ ，逆流时
C
u
=C-ucos
θ
，
二者之速度差为2 ucos θ ， 由 于 cos θ 值是已知的， 因此可得流体的速 度u 。
时间差法测量方法
• 由于速度非 • 常大，根据 速度、时间、• 距离三者之 • 间的关系， 若距离已知，• 测出时间， 就可以知道 • 速度。因此 速度差的测 量可以改为 • 测量时间。 即时间差法。
压式流量计(变压降式流量计)
• 差压式流量计由一次装置和二次装置组成．一次装置称流量测量元件， 它安装在被测流体的管道中，产生与流量(流速)成比例的压力差，供 二次装置进行流量显示。二次装置称显示仪表。它接收测量元件产生 的差压信号，并将其转换为相应的流量进行显示．差压流量计的一次 装置常为节流装置或动压测定装置(皮托管、均速管等)。二次装置为 各种机械式、电子式、组合式差压计配以流量显示仪表．差压计的差 压敏感元件多为弹性元件。由于差压和流量呈平方根关系，故流量显 示仪表都配有开平方装置，以使流量刻度线性化。多数仪表还设有流 量积算装置，以显示累积流量，以便经济核算。这种利用差压测量流 量的方法历史悠久，比较成熟，世界各国一般都用在比较重要的场合， 约占各种流量测量方式的70％。发电厂主蒸汽、给水、凝结水等的流 量测量都采用这种表计。
超声波流量计
超声波流量计原理及应用1、概述利用超声波测量流速、流量的技术不仅用于工业计量，而且在医疗、海洋观测、河流等的各种计量测试中有着广泛的应用，这里主要说明在工业计量测试中使用的超声波流量计。
超声流量计是超声检测技术的一种运用，超声检测是一种无损检测。
超声波可以穿透电磁波、光波无法穿透的物体，同时又能在两种物质（声阻抗不同的物质）交界面上反射，由于物体内部的不均匀性，使超声波衰减变弱，从而可分体内的裂纹、疏松、气泡、沙眼、夹渣、未焊透和脱层等缺陷。
所以，检测超声技术应用非常广泛。
它的突出优点是检测可靠、测定迅速、操作简便、便于在现场使用，对人体无害，对系统不改变运行状态，超声仪器可用性好，寿命长，携带方便。
在国外已成功应用于船舶、冶金、机械、石油、化工、食品、电子、航天、建筑、农林、水产及医疗等领域。
原理一般所谓超声波流量计的测量原理如图表1所示。
测量原理是多种多样的，如传播速度差法――声循环法，时间差法和多普勒法，这里对其他方法则只做简单的说明。
从古至今一直在研究利用声波测量液体和气体的流速，但直到二次世界大战为止没有太大的进展。
战后爆发的技术革新首先在美国兴起，继相位差法之后，应用声循环法（两组型）的马克森流量计于1995年首先作为航空燃料用流量计得到应用。
这刺激了利用超声波测量流量、流速技术的迅速进步，如上所述，在很多方面进行了研制，结果出现了时间差法和射束位移法等等。
以后一段时期虽然继续进行了研制，但实用的计量测试仪器并未占有牢固的地位。
进入二十世纪七十年代以后，由于IC（集成电路）技术的迅猛发展，可以使用高性能、工作非常稳定的PLL（锁相环路）回路技术，因此产生了将这种技术用于流量计的设想，结果，陆续出现了作为实用计量测试仪器的超声波流量计。
而现在，随着声循环法的发展，以PLL（锁相环路）技术为基础的超声波流量计在实际中也得到了应用。
另一方面，在苏联虽然也广泛地进行了理论研究，论述了基于流速分布的流量修正系数问题，而一般来说，包括西欧各国在内，其研究创新不如美国进行的活跃。
超声波流量计的工作原理
超声波流量计的工作原理超声波流量计是一种利用超声波技术来测量流体流速的仪器。
它主要由传感器、转换器和显示器等部分组成，通过超声波的发射和接收来实现对流体流速的测量。
超声波流量计具有测量精度高、稳定性好、无移动部件、不易受介质影响等优点，因此在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。
超声波流量计的工作原理是基于多次超声波脉冲在流体中的传播时间差来计算流速的。
当超声波沿着流体流动方向传播时，其传播速度会受到流体速度的影响，从而导致传播时间的变化。
通过测量超声波在流体中的传播时间差，可以计算出流体的流速。
具体来说，超声波流量计主要包括以下几个步骤：首先，超声波传感器会向流体中发射一束超声波脉冲，然后接收流体中反射回来的超声波信号。
在无流动状态下，超声波的传播时间是固定的，但是当流体流动时，超声波在流体中的传播时间会发生变化。
这是因为超声波在流体中的传播速度会受到流体速度的影响，从而导致超声波的传播时间发生变化。
接着，超声波转换器会将接收到的超声波信号转换成电信号，并传输给显示器进行处理。
显示器会根据接收到的电信号计算出超声波在流体中的传播时间差，并进一步转换成流体的流速。
通过这种方式，超声波流量计可以实现对流体流速的准确测量。
需要注意的是，超声波流量计的测量精度受到多种因素的影响，如流体的密度、温度、粘度等。
因此在实际使用中，需要对流体的性质进行适当的校正，以确保测量结果的准确性。
总的来说，超声波流量计通过测量超声波在流体中的传播时间差来实现对流体流速的测量。
它具有测量精度高、稳定性好、无移动部件等优点，因此在工业生产和科学研究中得到了广泛的应用。
然而，在实际使用中需要注意对流体性质的校正，以确保测量结果的准确性。
超声波流量计
原理： 根据对信号检测的原理超声波流量计可分为传播速度 差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏 移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。 超声流量计和超声波流量计一样，因仪表流通通道未 设置任何阻碍件，均属无阻碍流量计，是适于解决流量测 1 量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有 较突出的优点，它是发展迅速的一类流量计之一。 超声波流量计采用时差式测量原理：一个探头发射信 号穿过管壁、介质、另一侧管壁后，被另一个探头接收到 ，同时，第二个探头同样发射信号被第一个探头接收到， 由于受到介质流速的影响，二者存在时间差Δt，根据推算 可以得出流速V和时间差Δt之间的换算关系V=(C2/2L)×Δt ，进而可以得到流量值Q。
2
注意事项
超声波流量计正确选型才能保证超声波流量计更好的使用。选用什么种类的超声波 流量计应根据被测流体介质的物理性质和化学性质来决定?使超声波流量计的通径、 流量范围、衬里材料、电极材料和输出电流等?都能适应被测流体的性质和流量测量 的要求。 1、精密功能检查 精度等级和功能根据测量要求和使用场合选择仪表精 度等级，做到经济合算。比如用 于贸易结算、产品交接和能源计量的场合，应该选择精度等级高些，如1.0级、0.5级 ，或者更高等级; 用于过程控制的场合，根据控制要求选择不 同精度等级;有些仅仅是 检测一下过程流量，无需做精确控制和计量的场合，可以选择精度等级稍低的，如1.5 级、2.5级，甚至 4.0级，这时可以选用价格低廉的插入式超声波流量计。 2、可测量的介质 1 测量介质流速、仪表量程与口径 测量一般的介质时，超声波流量计的满度 流量可以 在测量介质流速0.5—12m/s范围内 选用，范围比较宽。选择仪表规格(口径)不一 定与 工艺管道相同，应视测量流量范围是否 在流速范围内确定，即当管道流速偏低，不能 满足流量仪表要求时或者在此流速下测量准 确度不能保证时，需要缩小仪表口径，从 而提 高管内流速，得到满意测量结果。 超声波液位计测量水位的原理以及安装要求： 超声波液位计工作时，高频脉冲声波由换能器（探头）发出，遇被测物体（水面）表 面被反射，折回的反射回波被同一换能器（探头）接收，转换成电信号。脉冲发送和 接收之间的时间（声波的运动时间）与换能器到物体表面的距离成正比，声波传输的 距离S与声速C和传输时间T之间的关系可以用公式表示：S= CⅩT/2 例如：声速C=344m/s，传输时间为50ms，即可算出传输的距离为17.2m，测定距离 为8.6m。
超声波明渠流量计说明书
超声波明渠流量计使用手册目录第一章 总论功能说明 规格说明 第二章 安装与接线 仪表尺寸 仪表安装接线第三章 按键及显示界面主界面按键第四章 参数界面及说明 第五章 历史流量查询 第六章 简要安装调试步骤第七章 量水堰槽构造及安装的技术参考 附录一 水槽代码表及巴歇尔槽构造尺寸 附录二 巴歇尔槽水位-流量公式 附录三 附485通讯说明深圳市云传物联技术有限公司第一章总论功能说明1.组成仪表由主机（控制器）与传感器两部分组成,主机与传感器之间由5芯屏蔽电缆连接。
2.字幕（显示屏内容）显示选槽信息显示时间显示累计流量显示瞬时流量显示液位或距离显示继电器状态显示瞬时流量柱状比列图3.密码保护保护仪表内部参数不被随意修改。
4．校准方法液位校准方法：传感器底部到0液位距离设定。
5．类比输出（电流输出）提供一组4-20mA输出（0-20mA需预订）,16位高精度D/A，可达750欧负载。
4mA和20mA电流点由用户根据需求自行设定。
6.继电器输出控制器由4个继电器输出。
(1)脉冲输出继电器(K1)：累计值达到脉冲流量累计值，闭合1次（50ms）(2)高报警继电器(K2)(3)低报警继电器（K3）(4)备用继电器（K4）：需要时按客户要求设计。
7.通讯RS485接口8.历史记录历史小时流量记录128条历史日流量记录64条历史月流量记录32条历史年流量记录4条规格说明1. 流量范围：0升/秒～100米3/秒 （由配用的量水堰槽的种类、规格确定）2. 累计流量：12位十进制数，累满后自动回零3. 流量精度：3％4. 测距范围：3米5. 测距精度：0.25％6. 液位分辩：1毫米7. 工作环境温度：-20～70℃8. 仪表防护等级：仪表显示部分：IP65；探头部分：IP679. 供电电源：交流供电 220V或DC24V（按接线座标注）10. 4～20mA电流输出：(对应瞬时流量)最大负载电阻：750Ω11. RS485接口（附485通讯说明）12. 继电器输出: 4路继电器输出脉冲输出继电器(K1)：累计值达到脉冲流量累计值，闭合1次（50ms）高报警继电器(K2)低报警继电器（K3）备用继电器（K4）：需要时按客户要求设计。
超声波流量计求流速公式
超声波流量计求流速公式
一、超声波流量计的测量原理
超声波流量计是一种非接触式流量计。
工作原理是：超声波在流体中传播时其传播速度要受到流体流速的影响，通过测量超声波在流体中传播速度可以检测出流体的流速而换算出流量来。
以使用最广泛的时差法超声波流量计为例，当超声波在流体中传播时顺流方向超声波的传播速度会增大、逆流方向则减小，即同一传播距离就有不同的传播时间，再利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速而换算出流量。
即当超声波束在管道内水介质流动方向上的“上游传感器”与“下流传感器”之间传播时，水的流动会使超声波束的传播时间相对于静态传播产生一个微小变化，并且这个传播时间的变化与水的流速成正比，这就是时差式超声波流量计的测量原理。
其关系的理论表达式如下式：
V=MD/sin2θ×△T/TupTdown式中，M—为超声波束在水中的直线传播次数
θ—为超声波束与水流动方向的夹角
Tup—为超声波束在正方向上的传播时间(由上游传感器到下游传感器间的传播时间)
Tdown—为超声波束在逆方向上的传播时间(由下游传感器到上游传感器间的传播时间)
△T= Tup—Tdown。
超声波流量计
一、超声波流量计工作原理: 超声波在流动的流体中传播时就载上流体流速的信息。
因此通过接收到的超声波就可以检测出流体的流速，从而换算成流量。
超声脉冲穿过管道从一个传感器到达另一个传感器，就像一个渡船的船夫在横渡一条河。
当气体不流动时，声脉冲以相同的速度（声速，C）在两个方向上传播。
如果管道中的气体有一定流速V（该流速不等于零），则顺着流动方向的声脉冲会传输得快些，而逆着流动方向的声脉冲会传输得慢些。
这样，顺流传输时间tD 会短些，而逆流传输时间tU会长些。
这里所说的长些或短些都是与气体不流动时的传输时间相比而言；根据检测的方式，可分为传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型的超声波流量计。
起声波流量计是近十几年来随着集成电路技术迅速发展才开始应用的一种。
根据对信号检测的原理，目前超声波流量计大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。
其中以噪声法原理及结构最简单，便于测量和携带，价格便宜但准确度较低，适于在流量测量准确度要求不高的场合使用。
由于直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法。
其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用。
按照换能器的配置方法不同，传播速度差拨又分为：Z法(透过法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。
波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大．多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量。
相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。
supmea 超声波流量计 使用说明书
杭州美仪自动化有限公司杭州美仪自动化有限公司第6版超声波流量计使用说明书U-SUP-1158-J-JHCN6前言●感谢您购买本公司产品。
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版本U-SUP-1158-J-JHCN6 第六版2021年1月安全注意事项为了安全使用本产品，操作时请务必遵守此处描述的安全注意事项。
关于本手册●请将本手册交于操作者阅读。
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本产品保护、安全及改造相关注意事项●为了确保安全使用本仪表以及由其控制的系统，操作时请务必遵守本手册中所述说明和注意事项。
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对由以上情况产生的质量，性能，功能和产品的安全问题，我公司不承担任何责任。
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如核动力设备、使用放射能的设备、铁路系统、航空机器、船舶用设备、航空设备和医疗器械等。
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超声波流量计.ppt
ห้องสมุดไป่ตู้ 测量流量原理分类
时间差法测量流量原理：在被测管道上下 游的一定距离上，分别安装两对超声波发射和 接收探头（F1，T1）、（F2，T2），其中F1，T1 的超声波是顺流传播的，而F2，T2的超声波是 逆流传播的。由于这两束超声波在液体中传播 速度的不同，测量两接收探头上超声波传播的
时间差t，可得到流体的平均速度及流量。
F1发射的超声波到达 F2的时间较短
频率差法测量流量原理：
F1、F2 是完全相同的超声探头，安装在管壁外面，通过 电子开关的控制，交替地作为超声波发射器与接收器用。首先 由F1发射出第一个超声脉冲，它通过管壁、流体及另一侧管壁 被F2接收，此信号经放大后再次触发F1的驱动电路，使F1发射 第二个声脉冲 。紧接着，由F2发射超声脉冲，而F1作接收器， 可以测得F1的脉冲重复频率为f1。同理可以测得F2的脉冲重复 频率为f2。顺流发射频率f1与逆流发射频率f 2的频率差 f与被
测流速v成正比 。
F1
F2
发射、接收探头也可以安装在管道的同一侧
化工仪表自动化之超声波流量计
温型、防爆型、湿式型仪表以适应，此课件共14页哦
谢谢大家观看！
• 当被测液体中含有气泡或有杂音时，将会影响测量精度，故要 求变送器前后分别有10D和5D的直管段；
• 超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂，成本较高。这 是因为，一般工业计量中液体的流速常常是每秒几米，而声 波在液体中的传播速度约为1500m/s左右，被测流体流速(流 量)变化带给声速的变化量最大也是10－3数量级．若要求测量流 速的准确度为1%，则对声速的测量准确度需为10-5～10-6数量级，
差法，都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传报时速度之差来 反映流体的流速的
（2）多普勒法 多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不
均匀流体中散射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量 的，适用于含悬浮颗粒、气泡等流体流量测量
（3）波束偏移法 波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向
随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很 低适用性不大
• 对于大口径管道的流量测量，不会因管径大 而增加投资；
• 量程比较宽，可达5：1；输出与流量之间 呈线性等。
第6页，此课件共14页哦
缺点
• 可测流体的温度范围受超声波换能铝及换能器与管道之间的耦合材料 耐温程度的限制
• 高温下被测流体传声速度的原始数据不全。目前我国只能用于测量 200℃以下的流体。
第2页，此课件共14页哦
超声波流量计原理图
6-测量流动通道 8、9-超声波换能器 11-上游孔眼 12-下游孔眼 15-第一流体抑制器
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图6-16，时间图 (u)与加减运算指令一致，对每个 (v)信号得到流速测量值，作为输出信号传送出去
f
fd
fu
V sin 2
D
(1 C sin )2
D
流动与声波夹角
顺逆
管道直径
为固定延迟时间，即：超声波经过塑料楔、管壁和衬 材传播所需要的时间以及电信号滞后时间之和。
6-7-2-4 时间差法
用时间差法测量流速、流量，在初期是 用模拟技术进行的。
6-7-2-3 声循环法应用
可与被测液体中的声速无关地测量流速， 现在作为大口径管道用的流量计已经得 到最广泛的应用。
二组方式
声循环回路（Sing Around Loop）
构成顺、逆两个方向的
声循环回路来进行的。
这种场合，脉冲经回路
一圈的时间叫做声循环
周期，其倒数叫做声循 环频率。
fd
C
V cos
6-7 超声波流量计
测量原理
包括传播速度差法 声循环法 时间差法 多普勒法
种 能动或被动 类
流量计种类
超 声能 波动 流型 量 计
被动型
测量原理 (利用的现 象)
传播速度的变化 (顺流、逆流)
射束位移
多普勒效应
流动产生的声音
检测量
相位差 时间差 频率差
接收波的感度 差 漂移频率
声音的大小
测量方法 简称
0 T 35C 0 S 45% 0 D 1000 （米）
声循环法的原理
首先从发生器T1沿顺流方向发射 超声波脉冲，在接收器R1处接收 这个信号。再在放大器-1处把此 接受信号进行放大，把输出信号 加到发生器T1，从T1再次发射超 声波脉冲，以后重复进行。
正向循环频率
f1
1 t1
C
V L
6-7-3 多普勒法
由单个粒子引起的多普勒频移
若传播超声波的介质中存在着一个单个的粒子，则它和周 围的介质流动的规律一样，以和介质相同的速度V运动。假 如给定超声波收发器T、R，把发射频率取为ft，则由于粒 子的漫反射，进入超声波接收器的接收频率为fr，静止介 质中的声速若取为C，则fr可以表示为：
近年来，由于数字式技术的进步可以精 密测量微小时间，因此，在顺、逆两方 向同时发射脉冲，把这些接收波前沿的 时间差用数字方式进行测量（LE Flowmeter，LE流量计）
6-7-2-4 时间差法
典型例子是在进行医学实验时，用脉冲时间法 测量经血管内的血液流速。
在这种实验中，把两个传感器和血管相连接， 使用3兆赫的小型钛酸钡陶瓷振荡器用高速交 替变换的一组转换方式进行超声波的收发，在 测量1厘米/秒以下到1米/秒以上的流速时线性 很好。
图6-22，流量修正系数和雷诺数的关系
流速测量方法
流速测量方法
图6-24，小口径管道用超声波流量计的测量管示例
流量计的安装
➢充满着水，一条测量线。 ➢混凝土使超声波超声波传播的损 耗大，因此在相应于超声波传播 途径部分使用不锈钢钢板。
➢并在探测器的对面的壁上安装上 反射板，采用所谓V法一避免流动 偏离管道对称轴所产生的偏流的 影响。
传播速度差法 相位差法 时间差法 声循环法 射束位移法
多普勒法
听音法
备注
应用最广泛 上水道用 上水道用
下水、排水 用 与频率有关
传 P-B水槽 感 涡街流量计 器 相关式流量计
节流水位上升 卡门涡 紊流
水位 透过波的振幅 振幅、相位
下水、排水 用，也可检 测透过时间
6-7-2，传播速度差法
将流体流动时与 静止时超声波在 流体中传播的情 形进行比较，由 C2 V 2 于流速不同会使 超声波的传播速 度发生变化。
t1
C
L V
t2
C
L V
t
t2பைடு நூலகம்
t1
2LV C2
图6-12 超声波传播速度差法的原理图，液体中超 声波的传播速度是静止液体中声波传播速度C和 流体速度V的矢量和
t1
C
L V
t2
C
L V
2LV 2LV t t2 t1 C2 V 2 C2
0
t
t2
t1
2LV C2
相位差法
相位差法，就是测量顺、逆两个方向接 受波的相位差 ，而时间差 t和 的关 系为：
图6-26，方形暗渠的流量测量示例
图6-27，明渠沟流量测量法
➢探头（超声波收发器）固定在能给出平均流速的水深附近（离 水面距离为水深60%位置），测量该位置（测量线）的速度。
➢预先用实验方法求出取决于水位变化的平均流速和测量流速之 比，把这个值通过线性插入法来修正测量流速，通常将其作为真 平均流速（流量/水流截面之值）输出；将此值与由测量水位得 到的水流截面相乘，以此乘积作为流量由流量运算器输出。
2 ft t
超声波的 频率
相位差法和时间差法的原理可以看成是一样的。
t
t2
t1
2LV C2
C=constant?
影响流体中声速C的因素
温度
图6-13，水中声音速度是水温的函数，其温度系数随温度不同而异
影响流体中声速C的因素（续）
水温T（C） 含盐量S （o） 水深D（米）
C 1449.2 4.6T 0.055T 2 0.00029T 3 (1.34 0.01T )(S 35) 0.016D
反向循环频率
f2
1 t2
C V L
两个声循环频率之差，取此差为， f
f1
f2
2V L
与声速C无关。由于频率差非常小，检测困难
6-7-2-2相位差法
相位差法本质上和时间差法是相同的
4
ft D cos
C2
VFt超声波频率，D管道直径
由于相位差和频率成正比，频率愈高则测量的灵敏度 也高。可是应该看到，频率提高时，可能测量的最大 速度值也就降低了，因此必须适当选取频率值。
测量范围的界限取决于飘移和噪声，据报道四 小时以内在0.5厘米以下。
6-7-2-5 流量测量
管内流速分布的影响
传播速度差法从原理上看是测量超声 波传播途径上的平均流速，因此，该测 量值是线平均。所以，它和一般的面平 均（真平均流速）不同，其差异取决于 流速的分布。
k V 1 0.01 6025 431Re0.237 V
L
图6-14，麦克逊流量计方框图（附有 质量流量计测量回路）
fu
C
V cos
L
两者的差频为
f
fd
fu
2V cos
L
图6-15，用声循环法的超声波流量计方框图
两个超声波收发器希望制造得完全相同，因而具有相同的特性， 它们既起超声波发生器又起超声波接收器的作用。交替转换开 关用来转换超声波的发射方向，一定时间使超声波沿顺流方向 发射，再经过同一时间间隔沿逆流方向发射，时间图如图6-16所 示。