超聲流量計

超聲流量計是指一種基於超音波在流動介質中傳播速度等於被測介質的平均流速與聲波在靜止介質中速度的矢量和的原理開發的流量計，主要由換能器和轉換器組成，有都卜勒法、速度差法、波束偏移法、噪聲法及相關法等不同類型。

基本介紹

• 中文名：超聲流量計
• 外文名：ultrasonic flowmeter
• 簡稱：USF
• 組成：換能器和轉換器
• 特點：無額外壓力損失等
• 學科：測量學

工作原理

根據對信號檢測的原理，超聲流量計可分為傳播速度差法（直接時差法、時差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、都卜勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。

1、時差法：測量順逆傳播時傳播速度不同引起的時差計算被測流體速度。

它採用兩個聲波傳送器（SA和SB）和兩個聲波接收器

（RA和RB）。同一聲源的兩組聲波在SA與RA之間和SB與RB之間分別傳送。它們沿著管道安裝的位置與管道成θ角(一般θ=45°)（圖1）。由於向下游傳送的聲波被流體加速，而向上游傳送的聲波被延遲，它們之間的時間差與流速成正比。也可以傳送正弦信號測量兩組聲波之間的相移或傳送頻率信號測量頻率差來實現流速的測量。

圖1

2、相位差法：測量順逆傳播時傳播時由於時差引起的相位差計算速度。

它的傳送器沿垂直於管道的軸線傳送一束聲波，由於流體流動的作用，聲波束向下游偏移一段距離。偏移距離與流速成正比。

3、頻差法：測量順逆傳播時傳播時的聲環頻率差。

當超音波在不均勻流體中傳送時，聲波會產生散射。流體與傳送器間有相對運動時，傳送的聲波信號和被流體散射後接收到的信號之間會產生都卜勒頻移。都卜勒頻移與流體流速成正比。如圖2中被測流體的區域位於發射波束與接收到的散射波束的交叉之處。要求波束很窄，使兩波束的夾角θ不致受到波束寬度影響。也可只採用一個變換器既作為傳送器又作為接收器，這種方式稱為單通道式。在單通道都卜勒血液流量計中，傳送器間隔地傳送聲脈衝信號，在兩個聲脈衝間隔的時間中，接收從血管壁和血管內紅血球反射回來的聲脈衝信號。採用控制線路選擇給定距離處的紅血球反射信號,通過比較後得到都卜勒頻移,它與血液流速成正比。在已知血管橫截面時可得到血液流量。

圖2

特點

(1)超聲流量計可作非接觸測量。夾裝式換能器超聲流量計可無須停流截管安裝，只要在既設管道外部安裝換能器即可。這是超聲流量計在工業用流量儀表中具有的獨特優點，因此可作移動性（即非定點固定安裝）測量，適用於管網流動狀況評估測定。

(2)超聲流量計為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。

(3)超聲流量計適用於大型圓形管道和矩形管道，且原理上不受管徑限制，可認為是在無法實現實流校驗的情況下優先考慮的選擇方案。

(4)超聲流量計可測量非導電性液體，在無阻撓流量測量方面是對電磁流量計的一種補充。

(5)某些傳播時間法超聲流量計附有測量聲波傳播時間的功能，即可測量液體聲速以判斷所測液體類別。例如，油船泵送油品上岸，可核查所測量的是油品還是倉底水。

(6)傳播時間法超聲流量計只能用於清潔液體和氣體。

(7)外夾裝換能器的超聲流量計不能用於襯裡或結垢太厚的管道，也不能用於襯裡（或銹層）與內管壁剝離（若夾層夾有氣體會嚴重衰減超聲信號）或鏽蝕嚴重（改變超聲傳播路徑）的管道。

分類

超音波流量計的種類很多。依照不同的分類方法，可以分為不同類型的超音波流量計。

(1)按測量原理分類

封閉管道用USF按測量原理有多種，用得最多的是傳播時間法和都卜勒法兩大類。其中時差式超音波流量計是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的，廣泛套用於江、河、水庫原水測量，石化產品工藝流檢測，生產過程耗水量測量等領域。根據實際套用需要，時差式超音波流量計分為攜帶型時差式超音波流量計、固定式時差式超音波流量計、時差式氣體超聲流量計。

(2)按被測介質分類

有氣體用和液體用兩類。傳播時間法USF兩種介質各自專用，因換能器工作頻率各異，通常氣體在100～300 kHz之間，液體在l～5 MHz之間。氣體儀表不能用夾裝式換能器，因固體和氣體邊界間超音波傳播效率較低。

(3)傳播時間法按聲道數分類

按聲道數分類常用的有單聲道、雙聲道、四聲道和八聲道4種。近年來，還出現了三聲道、五聲道和六聲道。四聲道及以上的多聲道配置對提高測量精度有很大的作用。

(4)按換能器安裝方式分類

可分為可移動安裝式和固定安裝式兩種。

(5)根據實際套用的需要分類

超音波流量計又分為外夾式、插進式、管段式3種。

外夾式超音波流量計是生產最早、用戶最熟悉且套用最廣泛的超音波流量計，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現了超音波流量計安裝簡單、使用方便的特點。

某些管道因材質疏、導聲不良，或者鏽蝕嚴重，襯裡和管道內空間有間隙等原因，導致超音波信號衰減嚴重，用外貼式超音波流量計無法正常測量，所以產生了管段式超音波流量計。管段式超音波流量計把換能器和丈量管組成一體，解決了外貼式流量計在測量中的一個困難，而且測量精度也比其他超音波流量計要高，但同時也犧牲了外貼式超音波流量計不斷流安裝這一優點，要求切開管道安裝換能器。

插進式超音波流量計介於上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在有水的管道上打孔，把換能器插進管道內，完成安裝。由於換能器在管道內，其信號的發射、接收只經過被測介質，而不經過管壁和襯裡，所以其測量不受管質和管襯材料限制。

選型

在明確需求的計量等級後，準確掌握被測流體的技術參數和工藝管線實況，是正確選用超聲流量計的關鍵。

(1)被測介質性質。被測介質不同，流量計選型差異很大。應考慮介質腐蝕性、防爆等級等要求。測量腐蝕性介質的測量管和換能器應選用不鏽鋼材質或滿足要求的其他材質。

(2)介質含氣量或顆粒物情況。介質中氣體或顆粒物會阻礙聲脈衝的傳遞，影響時間差的測量，導致流量測量不穩定並增大測量誤差，流量計上游應安裝氣體分離器，以確保氣體及時排除。含氣量大或顆粒物多的介質宜選用都卜勒超聲流量計。

(3)介質工況溫度。明確被測流體的常用溫度、最低溫度、最高溫度，可使製造商按照工況要求，選配測量管材質、換能器材質、電纜類型及密封材料等，溫度等級通常分為：60℃以下、150℃以下、200。C以下等。為保證介質的流動性及防止掛壁，要做好流量計的伴熱，並控制伴熱溫度。

(4)介質工況壓力。流體的常用工作壓力、設計最高工作壓力。製造商一般按照設計最高工作壓力選型，以保證流量計使用安全。

(5)準確度等級和聲道數的確定。按照國家對能源計量器具的配備要求和生產的實際情況確定選用的流量計準確度等級，要注意性能價格比合理。聲道數的選擇主要依據所要求的測量準確度等級和現場管道條件（直管段、流態、被測介質的含氣量等）來確定。

(6)流量範圍。要根據流體的常用流量、最小流量、最大流量綜合考慮，流量計時間測量準確度相同的情況下，聲道越多低流速性能越好，量程範圍越大。

(7)信息遠傳。需要信息遠傳時，要明確信號類型和通訊方式。

(8)明確工藝管線的法蘭標準，如GB國家標準、JB機械部標準、HG化工部標準、SH石化標準，以及jIS日本標準和ANSI美國標準等。必須對應標準配套連線法蘭，方便安裝。

(9)在選型時，應同時綜合考慮直管段的要求和工藝管線合理布局及安裝的方式。例如：前後直管段情況，是否有彎頭、擴徑、三通、泵、閥門等；了解閥門種類和是否用於流量調節；安裝方式是水平安裝、垂直安裝、固定安裝還是移動安裝；是否存在雙向流情況及流向變化頻次和規律；在相同原理、相同形式流量計情況下，通常是聲道數越多測量準確度越高，要求直管段越短。

(10)供電要求。現場供電（交流或直流、電池），電壓範圍，控制器的接口要求幾線制等。

套用

各種超聲流量計已廣泛用於工業生產、商業計量和水利檢測等方面，如：

在市政行業的原水、自來水、中水、污水的計量中，超聲流量計具有大量程比、無壓損的特點，在保證測量準確度的同時提高了管網的輸水效率；

在水利水電行業的輸水管道、渠道、泵站、電站的流量計量中，超聲流量計具有大口徑、現場安裝、線上標定的特點，使準確測量成為可能。同時通過對水泵、水輪機單泵、單機的計量來實現設備最佳化、經濟運行的目的；

在工業冷卻循環水的計量中，超聲流量計實現了線上不斷流帶壓安裝和線上標定；

在商業計量方面多聲道超聲流量計已達到優於0.2%的準確度（示值誤差）。

(1)傳播時間法套用於清潔、單相液體和氣體。典型套用有工廠排放液、:怪液、液化天然氣等;

(2)氣體套用方面在高壓天然氣領域已有使用良好的經驗;

(3)都卜勒法適用於異相含量不太高的雙相流體,例如:未處理污水、工廠排放液、髒流程液;通常不適用於非常清潔的液體。