超声波流量计原理与应用

2 主要技术性能
2.1超声波流量计的优点 超声波流量计可作非接触测量。夹装式换能器超声波流量计可无需停
流截管安装，只要在既设管道外部安装换能器即可。这是超声波流量计在工业 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。
超声波流量计为无流动阻挠测量，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。 超声波流量计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。 多普勒超声波流量计可测量固相含量较多或含有气泡的液体。 超声波流量计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。
1.基本原理
1.基本原理
1.1.1流速方程式
如图8-1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
1.基本原理
(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
传播时间法超声波流量计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；反之多普勒法超声波流量计只能用于测量含有一 定异相的液体。
外夹装换能器的超声波流量计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。
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。
3.2.1按测量原理分类 闭管道用超声波流量计按测量原理有5种，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。，现在用得最多的是传播时间 法和多普勒法两大类。
3超声波流量计的分类和结构
3.2.2按被测介质分类 有气体用和液体用两类。传播时间法超声波流量计两种介质各自专用，
2 主要技术性能
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。
某些传播时间法超声波流量计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超声波流量计的缺点和局限
(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。
1.基本原理
1.2多普勒（效应）法 多普勒（效应）法超声波流量计是利用在静止（固定）点检测从移
动源发射声波多产生多普勒频移现象。 1.2.1流速方程式
1.基本原理
如图8-2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 内液体中散来自百度文库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
超声波流量计原理与应用
流量仪表系列培训
1.基本原理
封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有：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。本章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。
1.1.2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
(4)
1.基本原理
(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。
1.基本原理
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。
多普勒法超声波流量计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 。
3超声波流量计的分类和结构
3.1组成 超声波流量计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8-3是系统组成示例，此例是测量液体用传播时间法单声道Z 法夹装式超声波流量计。
(7)
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
(8)
1.基本原理
测量对象确定后，式（8）右边除v外均为常量，移行后得
(9)
1.2.2流量方程式 多普勒法超声波流量计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K0 Kd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。