超声波流量计.doc

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。

日本从二十世纪五十年代后期开始研究用超声波测量流量、流速；继研究相位差法之后又研究了声循环法（一组变换型），1964年1月第一台实用的超声波流量计开始运转。其后，经过了一些实流试验，和文丘利流量计、电磁流量计等一起大量地应用到大流量测量中。由于使用这种方法可以从管道外侧测量流量，所以在水利发电厂中被用来测量水轮机效率，不久，日本全电力会社也将其作为轻便式流量计来使用，并制定了检测指南。以后，还进行了采用声循环法的超声波流量计的研制，也进行了明渠河流、风速等的测量。其后不久，使用PLL（锁相环路）技术的超声波流量计成了主要的、大口径管道用的计量测试仪器。

到此为止，我们谈的主要是传播速度差法，而另一重要方法是多普勒法。多普勒法最初是在船舶或舰艇上用来测量船速，海底或水中的悬浊物被用做超声波的漫反射源。这一技术也在医用的血流测量中得到应用，现在被看做是非观血的、无侵袭的临床测量血液的重要手段。可是，在工业计量测试方面，即使在日本以外的国家也未得到太多的应用，日本也只是最近才开始在下水、排水的流量测量中使用。但是，如图1所示，多普勒法对流速变化的灵敏度较其他方法好得多，值得重视。

以上概述了用超声波流量计测量流量、流速技术的发展情况。超声波流量计除了可以不妨碍流动地测量流速外，只要能传播超声波的流体皆可以用此法来测量流速，也可以测量高粘度液体、非导电性液体或者气体的流速，而且，不管被测对象多大，例如河流之类也可以用此法测量其流速，因此现在的应用范围正在迅速扩大着。特别是超声波法可以从厚的金

属管道外侧测量管内流动的液体的流速，它具有不用对原有管子进行任何加工就可实施流量测量的特征，而这是其他方法所不具备的，对于这点下面将做稍微详细的说明。

2、传播速度差法

2.1原理

数十年来，人们一直试图用超声波来进行流量的计量测试，而实用的超声波流量计直到十几年前才算完成了。其主要原因在于：一般情况下测量的液体流速在每秒数米以下，而液体中的声速约1500米/秒，流速带给声速的变化量至多不过10-3数量级，在工业计量中当测量流速要求精度达1％时，对声速的测量精度要求为10-5到10-6，过去的计量技术要想长期保持这样的高精度是很困难的。但是，如前所述，由于电子测量技术的进步，克服了上述的困难，现在已有数种超声波流量计得到了实用，下面将说明一下是怎样克服这个困难的。

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，由于流速不同会使超声波的传播速度发生变化。如图2所示，取静止流体中的声速为C，流体流动的速度为V，当声波的传播方向与流体流动的方向一致（顺流方向）时，其传播速度为（C+V），而声波传播方向与流体流动方向相反（逆流方向）时，其传播速度为（C-V）。我们在距离为L的两处放两组超声波发生器与接收器（T1，R1和T2，R2），当T1顺方向、T2逆方向发射超声波时，超声波分别到达接收器R1和R2所需要的时间分别为t1和t2,则：

t1=L/(C+V) (1)

t2=L/(C-V) (2)

一般情形下，液体中的声速C在1000米/秒以上，而多数工业用的流速V不超过每秒几米，即由于C2>>V2，因此得到：

Δt=t2-t1=2LV/C2(3)

因而，如果知道了L、C，通过测量时间差t就可以求得流速V。但是，由于这个时间差非常小，因此，早期使用了检测灵敏度高的相位差法。所谓相位差法，就是测量顺、逆两个方向接收波的相位差△Φ，而时间差△t 和△Φ的关系为：

△Φ =2πf t△t (4)

这里，f t是超声波的频率。由此可知，相位差法和时间差法的原理可以看做是一样的。

上述方法中的问题在于：根据式（3），需要明确的知道正确的声音速度C。一般而言，液体中的声速C是温度的函数，例如，水中的声音速度由于水温而变的关系如图3所示。这种关系可用下面的数学形式来表示。此式是包含有水温、含盐量、水深的一般实验式：C=1449.2+4.6T-0.055T2+0.00029T3+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D

式中，C是声音速度（米/秒）；T是水温（℃）；S是含盐量（‰）；D是水深（米）。此式的适用范围为：0≤T≤35℃；0≤S≤45‰; 0≤D≤1000米。

由此可知，为了正确测量流速，需要进行声速修正。在式（3）中，为了消去C2项进行了许多努力。例如，可以采用这样一些手段：当C≥V时，由式（1）可以得到C＝L/t1；或者由式（1）和式（2）得到C=2L/(t1＋t2)；或者当C2≥V2时，得C2＝L2/(t1×t2)等等。可是，若使用声循环法，就不需要进行这种声速修正。

声循环法的原理可用图2来说明。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处把此接收信号进行放大，把输出信号加到发生器重复的频率（声循环频率）f1为：

f1＝1/t1＝（C+V）/L (6)

其次，在逆方向的T2-R2也进行了同样的操作，可以得到声驯化声循环频率f2为：f2＝1/t2=（C-V）/L (7)