超声波流量计原理及应用

超声波流量计原理及应用
前言超声流量计(以下简称USF)是通过检测流体流动时对超声束(或超声脉冲)的作用，以测量体积流量的仪表。

本文主要讨论用于测量封闭管道液体流量的USF。

20世纪70年代随着电子技术的发展，性能日益完善的各种型号USF投入市场。

有人预言由于USF测量原理是长度与时间两个基本量的结合，其导出量溯源性较好，有可能据此建立流量基准。

第一节工作原理
封闭管道用USF按测量原理分类有：
①传播时间法；
②多普勒效应法；
③波束偏移法；
④相关法；
⑤噪声法。

本文将讨论用得最多的传播时间法和多普勒效应法的仪表。

1.1传播时间法
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，同一传播距离就有不同的传播时间。

利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流速，称之传播时间法。

按测量具体参数不同，分为时差法、相位差法和频差法。

现以时差法阐明工作原理。

(1)流速方程式
如图1所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速Vm所减慢，为：
(1)
反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快，为：
(2)
式(1)减式(2)，并变换之，得
(3)
式中L——超声波在换能器之间传播路径的长度，m;
X——传播路径的轴向分量，m;
t12、t21——从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间，s;
c——超声波在静止流体中的传播速度，m/s;
Vm——流体通过换能器1、2之间声道上平均流速，m/s。

时(间)差法与频(率)差法和相差法间原理方程式的基本关系为:
(4)
(5)
式中f——频率差；
φ——相位差；
f21,f12——超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率；
f——超声波的频率。

从中可以看出，相位差法本质上和时差法是相同的，而频率与时间有时互为倒数关系，三种方法没有本质上的差别。

目前相位差法已不采用，频差法的仪表也不多。

(2)流量方程式
传播时间法所测量和计算的流速是声道上的线平均流速，而计算流量所需是流通横截面的面平均流速，二者的数值是不同的，其差异取决于流速分布状况。

因此，必须用一定的方法对流速分布进行补偿。

此外，对于夹装式换能器仪表，还必须对折射角受温度变化进行补偿，才能精确的测得流量。

体积流量qv为
(6)
式中K——流速分布修正系数，即声道上线平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比，K=vm/v；
DN－管道内径。

K是单声道通过管道中心(即管轴对称流场的最大流速处)的流速(分布)修正系数。

管道雷诺数ReD变化K值将变化，仪表范围度为10时，K值变化约为1％；范围度为100时，K值约变化2％。

流动从层流转变为紊流时，K值要变化约30％。

所以要精确测量时，必须对K值进行动态补偿。

1)夹装式换能器仪表声道角的修正
夹装式换能器USF除了做流速分布修正外，必要时还要做声道角变化影响的修正。

根据斯那尔(Snall)定律式(7)和图2，声道角θ随流体中声速c的变化而变化，而c又是流体温度的函数(以水为例，见图3)，因此，必须对θ角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。

(7)
式中φ0－超声在声楔中的入射角；
φ1、φ－超声在管壁、流体中的折射角；
c0、c1、c－声楔、管壁、被测流体的声速。

θ角不但受流体声速影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。

然而因为一般固体材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条件下对测量精确度的影响可以忽略不计。

但是在温度变化范围大的情况下(例如高低温换能器工作温度范围-40-200℃)就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。

2)多声道直射式换能器仪表的流量方程式
直射式换能器仪表的流量方程没有管壁材料折射温度变化影响。

多声道仪表常用高斯积分法或其他积分法计算流量。

图4是以四声道为例的原理模型，流量计算式(8)所示。

(8)
式中DN－测量段内与声道垂直方向上的圆管平均内径或矩形管道的平均内高；
S－高斯修正系数；
Wi－各声道高斯积分加权数；
Li－各声道长度；
Vi－各声道线平均流速；
θi－各声道声道角；
N－声道数。

1.2多普勒(效应)法
多普勒(效应)法USF是利用在静止(固定)点检测从移动源发射声波多产生多普勒频移现象。

(1)流速方程式
如图5所示，超声换能器A向流体发出频率为fA的连续超声波，经照射域内液体中散射体悬浮颗粒或气泡散射，散射的超声波产生多普勒频移fd，接收换能器B收到频率为fB的超声波，其值为
(9)
式中v－散射体运动速度。

多普勒频移fd正比于散射体流动速度
(10)
测量对象确定后，式(10)右边除v外均为常量，移行后得
(11)
(2)流量方程式
多普勒法USF的流量方程式形式上与式(6)相同，只是所测得的流速是各散射体的速度v(代替式中的vm)，与载体液体管道平均流速数值并不一致；方程式中流速分布修正系数Kd以代替K0Kd是散射体的“照射域”在管中心附近的系数；其值不适用于在大管径或含较多散射体达不到管中心附近就获得散射波的系数。

(3)液体温度影响的修正
式(11)中又流体声速c，而c是温度的函数，液体温度变化会引起测量误差。

由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即在式(11)中的流体声速c用声楔的声速c0取代，以减小用液体声速时的影响。

因为从图6可知cosθ=sinφ,再按斯纳尔定律sinφ/c＝sinφ0/c0，式(11)便可得式(12)，其中c0/sinφ0可视为常量。

(12)
(4)散射体的影响
实际上多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体，而所测得各散射体速度和载体液体平均流速间的关系也有差别。

其他参量如散射体粒度大小组合与流动时分布状况，散射体流速非轴向分量，声波被散射体衰减程度等均影响频移信号。

第二节优缺点和局限性
2.1优点
USF可作非接触测量。

夹装式换能器USF可无需停流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可。

这是USF在工业用流量仪表中具有的独特优点，因此可作移动性(即非定点固定安装)测量，适用于管网流动状况评估测定.
USF为无流动阻挠测量，无额外压力损失。

流量计的仪表系数是可从实际测量管道及声道等几何尺寸计算求得的，既可采用干法标定，除带测量管段式外一般不需作实流校验。

USF适用于大型圆形管道和矩形管道，且原理上不受管径限制，其造价基本上与管径无关。

对于大型管道不仅带来方便,可认为在无法实现实流校验的情况下是优先考虑的选择方案。

多普勒USF可测量固相含量较多或含有气泡的液体。

USF可测量非导电性液体，在无阻挠流量测量方面是对电磁流量计的一种补充。

因易于实行与测试方法(如流速计的速度-面积法，示踪法等)相结合，可解决一些特殊测量问题，如速度分布严重畸变测量，非圆截面管道测量等。

某些传播时间法USF附有测量声波传播时间的功能，即可测量液体声速以判断所测液体类别。

例如，油船泵送油品上岸，可核查所测量的是油品还是仓底水。

2.2缺点和局限性
传播时间法USF只能用于清洁液体和气体，不能测量悬浮颗粒和气泡超过某一范围的液体；反之多普勒法USF只能用于测量含有一定异相的液体。

外夹装换能器的USF不能用于衬里或结垢太厚的管道，以及不能用于衬里(或锈层)与内管壁剥离(若夹层夹有气体会严重衰减超声信号)或锈蚀严重(改变超声传播路径)的管道。

多普勒法USF多数情况下测量精度不高。

国内生产现有品种不能用于管径小于DN25mm 的管道。

第三节分类和结构
3.1组成
USF主要由安装在测量管道上的超声换能器(或由换能器和测量管组成的超声流量传感器)和转换器组成。

转换器在结构上分为固定盘装式和便携式两大类。

换能器和转换器之间由专用信号传输电缆连接，在固定测量的场合需在适当的地方装接线盒。

夹装式换能器通常还需配用
安装夹具和耦合剂。

图7是系统组成示例，此例是测量液体用传播时间法单声道Z法夹装式USF.
3.2分类
可以从不同角度对超声流量测量方法和换能器(或传感器)进行分类。

(1)按测量原理分类
封闭管道用USF按测量原理有5种，如2节所述，现在用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类。

(2)按被测介质分类
有气体用和液体用两类。

传播时间法USF两种介质各自专用，因换能器工作频率各异，通常气体在100~300kHz之间，液体在1~5MHz之间。

气体仪表不能用夹装式换能器，因固体和气体边界间超声波传播效率较低。

(3)传播时间法按声道数分类
按声道数分类常用的有单声道、双声道、四声道和八声道四种。

近年有出现三声道、五声道和六声道。

四声道及以上的多声道配置对提高测量精度起很大作用。

各声道按换能器分布位置(见图8)，又可分为以下几种。

1)单声道有Z法(透过法)和V法(反射法)两种。

2)双声道有X法(2Z法、交差法)、2V法和平行法三种。

3)四声道有4Z法和平行法两种。

4)八声道有平行法和两平行四声道交差法二种。

(4)按换能器安装方式分类有、
1)可移动安装
2)固定安装
第四节选用考虑要点
4.1测量原理的选择
选择液体用USF首先考虑测量原理是传播时间法还是多普勒法？其主要判断要素是：液体洁净程度或杂质含量，测量精度要求。

基本适用条件如表1所示。

此外，对于外夹装式仪表还要考虑管壁材料和厚度、锈蚀状况、衬里材料和厚度；对于现场安装换能器式仪表要考虑换能器类型；对于大管径传播时间法仪表要考虑声道数，等等。

下文将分节讨论。

4.2适用悬浮颗粒含量的范围
多普勒法USF要比传播时间法适用悬浮颗粒含量上限高得多，而且可以测量连续混入气泡的液体。

但是根据测量原理，被测介质中必须含有一定数量的散射体，否则仪表就不能正常工作。

传播时间法USF可以测量悬浮颗粒很少的液体，但不能测量含有影响超声波传播的连续混入气泡或体积较大固体物的液体。

在这种情况下应用，应在换能器的上游进行消气、沉淀或过滤。

在悬浮颗粒含量过多或因管道条件致使超声信号严重衰减而不能测量时，有时可以试降低换能器频率，予以解决。

4.3测量精确度
(1)传播时间法
传播时间法比多普勒法有较高的测量精确度，液体基本误差为±0.5％R至±5％FS，重复性为0.1％R-0.3％R；气体基本误差为±0.5％R到±3％FS，重复性为0.2％R-0.4％FS，高精度仪表均为多声道仪表。

中小口径液体管段式超声流量传感器通常都用水做实验校验，具有±0.5％R 的高精度。

管外夹装换能器或在现场管道固定安装换能器的仪表，要通过定标计算接入现场管道流通面积和传播距离长度测量误差，夹装在管道的不确定性，声耦合变化等因素，要降低些。

若安装调试粗糙不细致，测量精确度有可能低到5％，甚至更低。

测量精确度还取决于声道数设置及其布置位置，下文将进一步讨论。

(2)多普勒法
典型仪表的基本误差为±(1％-10％)FS，重复性为(0.2％-1％)FS。

工业用多普勒法USF的超声波频率为0.5-2MHz。

多普勒信号包含着不同散射体移动速度的频谱，检测电路提供多普勒频移若干平均测量值以求的速度。

所测的散射体速度和流体平均流速之间的关系，随着不同状况而变化，有一定不确定性。

多普勒法USF性能因受以下一些原因所形成的因素影响，整体性能要比传播时间法低得多。

例如：散粒体的性质；非轴向速度分量形成的多普勒频移增宽；被照射域位置的不确定性；散射体和基相液体间的滑差。

因此有些制造厂的技术数据仅列出仪表的重复性而不列测量精确度或基本误差。

流体运行流速不能过低，过低的流速会使离散体分布不均匀。

若测量管水平安装，气体会浮升在顶部流动，颗粒会沉淀于底部。

最低流速通常为0.1-0.6ｍ／ｓ。

4.4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。

(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(取决于上游阻流件组成和直管段条件)，以及管径大小。

例如BS7405推荐管径大于0.5m用3或4声道，大于3m则用8声道。

单声道从单一路径的线平均流速乘上系数代表平均流速。

单一路径声道的换能器设置通常是通过管道中心，即在横截面投影圆的直径上，其系数即如图10.2所示。

也右声道设置在弦的位置上。

流动速度分布畸变和存在径向速度分量(如涡流、二次流)则会改变该系数值，弦位置的影响比直径位置的影响小。

多声道测量多路径线平均流速，更减少流动畸变影响，提高测量精度。

确定声道数有的可按仪表样本规范选择(如管段式USF，除单声道外较多采用双声道计量声道以上)，有的则向仪表制造场联系磋商(如现场安装式USF，特别是大管径应用，通常为3-8声道)。

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。

表2例举几个不同来源提出的要求，可作为选型时的一般依据。

(2)多普勒法
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。

人们对多普勒法USF 直管段要求程度在看法上也迥然不同。

一种看法认为：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。

为了尽量减少这种影响，除了采取其他一些方法外，还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。

例如日本电气计测工业会认为多普勒法USF所需直管段长度一般应是传播时间法的1.5倍。

然而另一种看法是：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于
3-5DN的直管段。

(1)参考文献[4];(2)Westinghouse公司样本(3)Krohne公司样本。

4.5换能器类型的选择
(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(温度、压力等)、管道条件(材质、形状、管径、直管长度等)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USF。

(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。

4.6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(超声流量传感器或超声换能器)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)单向流还是双向流通常为单向流，但也可通过较复杂电子线路，设计成双向流动，此时流量测量点两侧直管段长度均应按上游直管段的要求布置。

3)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(例如铸铁、混凝土)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。

用V法的反设处必须避开焊缝和接口(参见图11)。

4)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。

前文已对直管段要求作了讨论。

5)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。

例如Instromet公司的USF显示仪中有声干扰实时测量报警；测量管道中采用如图9所示弯管阻断声干扰的措施。

4.7经济因素方面的考虑
小口径USF与其他流量仪表相比价格较贵，然而非管段式USF价格并不明显增加。

所以用于大口径、超大口径仪表有明显价格优势。

多声道仪表有较复杂电子计算部件，价格要高些，因此在要求高精度的中小管径上应用受到一些限制。

然而上有扰动大而直管段布置受限制的场所，多声道系统可能是仅有的合理解决方案。

外夹装式便携式USF的机动性和可以多处使用，仪表购置费可分摊给各测量点，从而降低测量成本。

USF的流量校验费用，外夹装式仪表通常不作实流校验，仅作静态调试，液体用仪表可充实液调试；管段式仪表为提高仪表精度，均作实流校验。

因为这些校验或调试在出厂前进行，一般包括在价格内。

大管径仪表为了提高测量精确度或用户需要在现场考核其精确度，或者测量位置流场畸变严重必须作实流标定，在测量原位用速度面积法等方法在线校验，则应考虑其校验费用。

第五节安装注意事项
5.1流量传感器或换能器的安装
(1)流量传感器(即带测量管段的插入式换能器总成)的安装
1)安装本类流量传感器时管网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。

2)连接流量传感器的管道内径必须与流量传感器相同，其差别应在±1％以内。

3)流量传感器上的传感器尽可能在如图10所示与水平直径成45度的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。

否则在测量液体时换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。

4)测量液体时安装位置必须充满液体。

5)上下游应有必要的直管段。

(2)外夹装式换能器的安装。

上面2)、3)、4)、5)各项应同样注意外，还应注意以下各点。

1)剥净安装段内保温层和保护层，并把换能器按装处的壁面打磨干净。

避免局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。

2)对于垂直设置的管道，若为单声道传播时间法仪表，换能器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内(见图11)，以获得弯管流场畸变后较接近的平均值。

3)换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝，如图12以V法示例。

4)换能器安装处的管道衬里和垢层不能太厚。

衬里、锈层与管壁间不能有间隙。

对于锈蚀严重的管道，可用手锤震击管壁，以震掉壁上的锈层，保证声波正常传播。

但必须注意防止击出凹坑。

5)换能器工作面与管壁之间保持有足够的耦合剂，不能有空气和固体颗粒，以保证耦合良好。

6)多普勒法夹装式换能器安装有对称安装和同侧安装两种方法，如图13所示。

对称安装适用于中小管径(通常小于600mm)管道和含悬浮颗粒或气泡较少的液体；同侧安装适用于各种管径的管道和含悬浮颗粒或气泡较多的液体。

第六节维护
6.1影响超声波流量计准确度的技术因素：
按照测量原理划分，超声波流量计测量流量的方法使用最多的是传播速度差法和多普勒频移法，其中传播速度差法又可以分为时间差法、相位差法和声循环频率差法。

在我厂使用的超声波流量计中，基本上采用的都是时间差法。

因此，以下主要就影响时间差法超声波流量计的方面进行探讨。

1、安装直管段的长度：
在安装时，除了要选择流体流场分布均匀的部分，还要保证足够的直管段要求，以便使流体形成稳定的速度分布。

一般要求前直管段为10DN，
后直管段为5DN。

另外，要尽量远离泵和阀门，泵应该距离测量管段上游50DN，流量调节阀应该距离测量管段上游30DN，如果直管段长度达不到要求，测量准确度将会下降。

2、工艺管道参数：
在旧管线上安装使用超声波流量计时，一定要准确的得到工艺管道的参数，如管道的外径、壁厚、材质、衬里等。

对于比较脏污的管线，还要把结垢考虑为衬里，以求较准确的测量结果。

3、安装方式和位置：
由于管道中的气泡和杂质会反射或者衰减超声波信号，给测量带来很大的误差，所以在安装时一定要选择正确的安装方式。

换能器探头安装在倾斜和水平管道上时，一般应该水平安装，这样就可以使气泡聚集在管道的上方,而大的杂质则沿着管道的底部流动.应该尽可能使换能
器探头处于和水平面成45°角的范围内。

另外,安装的部位要有一定的背压，从而保证管道内充满流体，没有气泡或者气泡较少。

4、其他因素：
(1)安装换能器探头部位的去漆、除锈及砂平；
(2)选择管道材质均匀密致，易于超声波传输的直管段；
(3)选择合适的耦合剂；
(4)选择合适的流体类型；
(5)精确换能器探头的安装距离；
(6)选择配套的探头类型；
(7)保证换能器探头部位的温度在可工作的范围内。

6.2使用中的维护和检修：
在实际的使用中，由于现场安装换能器探头部位的管线震动、温度变化，管道内结垢情况的变化，以及超声波流量计电路工作点的漂移等因素，可能造成测量不准确，因此，需要定期的对超声波流量计进行检查和维护。

常规的工作如下：
(1)信号强度和信号良度的检查：
信号强度(Signal Strength)用以表示上下游探头的信号强度；信号良度(Signal Goodness)用以表示上下两个传输方向上的信号峰值，用以辅助判断接受信号的优良程度。

这两个信号如果检查变坏的话，就需要检查探头的安装是否已经松动或者耦合剂失效，一般就需要重新安装探头，以保证这两个信号的数值在合适的范围内。

(2)传输时间和传输时差的检查：
传输时间(Total Time)用以表示超声波平均的传输时间；传输时差(Delta Time)用以表示上下游传输时间差。

这两个信号是超声波流量计计算流速的主要依据，特别是传输时差最能反映流量计是否工作稳定。

如果这两个信号不稳定的话，应检查安装点是否合适，设置数据是否正确。

(3)电流环模拟输出的检查：
实际使用中，都是将超声波流量计作为变送器，DCS接收超声波流量计的信号，然后再进行计量统计的。

因此，超声波流量计的电流环模拟输出的准确性就需要保证。

在实际的工作中，可以以一年为检修段，对电流环模拟输出进行校验和修正，以保证DCS的准确计量。

(4)定期标定和校正：。