超声波流量计是近十几年来随着集成电路技术的发展才出现的一种非接触式仪表，适于测量不易接触、观察的流体以及大管径流量。使用超声波流量计，不用在流体中安装测量元件，故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可在不影响生产管线运行的情况下进行，因而是一种理想的节能型流量计。

超声波流量计的基本原理及类型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。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。  

2超声波流量测量工程  

2.1大口径断面流量测量

众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽的河流都可适用。

2.2排他性参数测量

另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介质，不同场合和不同管道条件的流量测量。

2.3 技术局限

（1）流体温度。 超声波流量计目前所存在的缺点主要是可测流体的温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及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。

（2）流体流速。超声波流量计的测量线路比一般流量计复杂。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0.00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，因此必须有完善的测量线路才能实现，这也正是超声波流量计只有在集成电路技术迅速发展的前题下才能得到实际应用的原因。 超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组成。超声波发射换能器将电能转换为超声波能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示和积算。这样就实现了流量的检测和显示。

3工作原理

3.1 测量方法与评析

（1）原理。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。

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频移。

（2）评析。以上几种方法各有特点，应根据被测流体性质、流速分布情况、管路安装地点以及对测量准确度的要求等因素进行选择。

一般说来由于工业生产中工质的温度常不能保持恒定，故多采用频差法及时差法。只有在管径很大时才采用直接时差法。对换能器安装方法的选择原则一般是：当流体沿管轴平行流动时，选用Z法；当流动方向与管铀不平行或管路安装地点使换能器安装间隔受到限制时，采用V法或X法。当流场分布不均匀而表前直管段又较短时，也可采用多声道（例如双声道或四声道）来克服流速扰动带来的流量测量误差。

多普勒法适于测量两相流，可避免常规仪表由悬浮粒或气泡造成的堵塞、磨损、附着而不能运行的弊病，因而得以迅速发展。随着工业的发展及节能工作的开展，煤油混合（COM）、煤水泥合（CWM）燃料的输送和应用以及燃料油加水助燃等节能方法的发展，超声波流量计都为多普勒超声波流量计应用开辟广阔前景。

3.2时差法超声流量计

（1）原理：时差法超声流量计是通过测量随超声波传播速度而变化的逆流与顺流的时间差△t来确定被测流体的流速的超声流量计，时间差△t与流速成正比关系，其比例系数称流量修正系数。如今时差法超声流量计已成熟，它具有准确度高和可靠性好的特点。时差法超声波流量计，其工作原理如下图所示。

时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来丈量流体流量的。广泛应用于江、河、水库原水测量，石化产品工艺流检测，生产过程耗水量测量等领域。根据实际应用需要，时差式超声波流量计分为便携式时差式超声波流量计，固定式时差式超声波流量计，时差式气体超声流量计。固定式时差式超声波流量计大多应用于工厂、车间，对流体进行常规的实时测量，由于设备需要经年累月的长期运转，所以固定式超声波流量计 对稳定性、可靠性提出了更高的要求。时差式气体超声流量计主要应用于石油化工领域中对气体流量的检测，环保领域亦有应用。

（2）安装：（1）安装位置上游有缩经、扩经、弯头、T字三通、阀门、泵时，根据流量计的具体性能参数要保留足够的直管段。（2）流量计尽可能水平或垂直安装为佳；管内必须充满液体。（3）对于外夹式的换能器，应特别注意安装尺寸要准确，声耦合要好；插入式换能器和内置式换能器的每对换能器之间应相互对准；声程应精确测量。（4）管内径尺寸应精确测量。

图为PT878固定式时差式超声波流量计：

3.3 气体（时差）超声流量计

气体超声流量计是安装在流动气体管道上，通过检测气体流动时对超声束（或超声脉冲）的作用，以测量气体体积流量的仪表。随着我国长距离大口径输气管道的建设和发展，气体超声波流量计因其计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等优于传统型流量计的特点，逐渐在我国天然气管道计量中逐渐普及起来。

（1）原理：超声脉冲穿过管道如同渡船渡过河流。如果气体没有流动，声波将以相同速度向两个方向传播。当管道中的气体流速不为零时，沿气流方向顺流传播的脉冲将加快速度，而逆流传播的脉冲将减慢。因此，相对于没有气流的情况，顺流传播的时间t。将缩短，逆流传播 的时间t。会增长，这两个传播时间都由电子部件进行测量。根据这两个传播时间，可以计算测得的流速。

（2）流速方程式：流速方程式测量原理参见下图所示：

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：

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：


式（1）减式（2），并变换之，得

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。

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。

3.4多普勒超声波流量计

多普勒超声波流量计的测量是以物理学中的多普勒效应为基础。根据声学多普勒效应，当声源和观察者之间有相对运动时，观察者所感受到的声频率将不同于声源所发出的频率。这个因相对运动而产生的频率变化与两物体的相对速度成正比。在超声波多普勒流量测量方法中，超声波发射器为一固定声源，随流体一起运动的固体颗粒起了与声源有相对运动的“观察者”的作用，当然它仅仅是把入射到固体颗粒上的超声波反射回接收据。发射声波与接收声波之间的频率差，就是由于流体中固体颗粒运动而产少的超声波多普勒频移，由于这个频率差正比于流体流速，所以测量频差可以求得流速，进而可以得到流体的流量。多普勒流量计测量原理参见下图所示：
 

如上图所示，换能器1发射频率为f1的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以f 2的频率反射到换能器2，这就是多谱勒将就，f 2与f1之差即为多谱勒频差fd。当管道条件、换能器安装位置、发射频率、声速确定以后，c、f1、θ即为常数，流体流速和多谱勒频移成正比，通过丈量频移就可得到流体流速，进而求得流体流量。目前市面上的多谱勒式超声波流量计主要以进口为主，可检测直径12.5 mm—4.5 mm的管道，随机附带不锈钢安装组件、耦合剂、交流充电器，坚固的携带机箱符合IP67 防护标准。适用于绝大多数含气泡或固体颗粒的液体流量监测，如废水、泥浆、石油、化学液、酸液、碱液、腐蚀液、研磨剂和粘性液体等。易于操作,传感器安装在管道外壁耗时不到一分钟。使用内置键盘和校验菜单可快速设置参数。可测量管道包括PVC、球墨铸铁、碳钢、不锈钢等所有可以传导超声波的材料。
4超声波流量计安装

根据实际应用的需要，超声波流量计分为外夹式、插进式、管段式等安装方式。
4.1安装原理

（1）超声波流量计由传感器与转换器两部分组成。传感器与转换器之间用专用信号电缆连接。转换器的安装可分为：现场安装及盘柜安装对于现场安装的转换器就要注意中危险场所的防爆要求。传感器的安装分为Z法安装、V法安装、W法安装，如图2所示。

在实际使用过程中常采用Z法和V法安装，这两种安装方法各有利弊，在使用时，就根据实际情况来使用。

（1）Z法安装。声波传播时间短，效果好，但Z法安装要求两个传感器要处于管道的同一截面上，因此在安装时要求安装准确。

（2）V法安装。较适用于坚直管道上的测量安装，若是在水平管道上，当流体不满管状态时，不易测得信号。

（3）声道布置的发送和接收方式是采用Z法和V法，选择的原则是要有足够的声路和介质吸收声波的程序，还要考虑管道内壁的粗糙度。

4.2夹装式安装

夹装式安装是最常用的基本安装方式。夹装式传感器不存在直接腐蚀的问题，但管道内表面腐蚀结晶，也会造成测量不准。夹装式传感器由于耦合剂在使用一段时间后易出现发干的现象，影响检测效果，在较大的直径的管道上不宜使用。夹装式传感器短时测量时可用黄油，也可用凡士林等脂类，长期测量可用硅脂或硅胶。流体的压力对夹装式传感器没有影响，对插入式传感器一般也不存在问题。夹装式传感器不适用于测量气体。

4.3管段式安装

某些管道因材质疏、导声不良，或者锈蚀严重，衬里和管道内空间有间隙等原因，导致超声波信号衰减严重，用外贴式超声波流量计无法正常丈量，所以产生了管段式超声波流量计。管段式超声波流量计把换能器和丈量管组成一体，解决了外贴式流量计在丈量中的一个困难。而且丈量精度也比其它超声波流量计要高，但同时也牺牲了外贴式超声波流量计不断流安装这一优点，要求切开管道安装换能器。比如泰亚赛福代理的美国GE公司的Sentinel TM 计量级天然气超声波流量计，是一种功能完善的超声波流量测量系统，可用于天然气流量的测量，完整的Sentinel系统包括超声波流量计，整流器和上下游直管段。该配置可消除系统安装带来的不确定因素（阀门，弯管及其他系统部件可能导致的流场变形）对流量的计性能的影响。该解决方案提供了一个简单且经济高效的测量系统，用户不会受到其他测量不确定因素的影响，未充分发展，非均衡的流场是主要的不确定因素之一，而该超声波流量计系统中已经去除了这一因素，因此用户可以获得有保障的测量精度。
    图为管段式天然气超声流量计：

4.4插进式安装

插进式超声波流量计介于上述二者中间。在安装上可以不断流，利用专门工具在有水的管道上打孔，把换能器插进管道内，完成安装。由于换能器在管道内，其信号的发射、接受只经过被测介质，而不经过管壁和衬里，所以其测量不受管质和管衬材料限制。插入式传感器较适用DN >100mm的管道上，但是管道外要有足的安装空间。

4.5便携式安装

便携式处夹装超声波流量计使用方便，适用于评估管网流动状况或用做检查管道上安装其他流量仪表的运行状况。便携式时差式超声波流量计方便移动测量，便携式时差式超声波流量计就属于此类，安装时只要把检测器夹装在管道外壁上，不需要截管或停流。因

此没有一般流量计所必须的法兰，也不存在介质泄漏、压力损失等问题。

图为PT878便携式时差式超声波流量计：

4.6调试工程
   （1）插入式传感器安装时要注意在输入参数设置以便得到安装距离时，管道的壁厚应实际测量，这样得到的传感器安装距离才能精确，测量精度才会提高。
    （2）要保证有一定的直管段长度，最低要有上游1OD，下游5D。
    （3）传感器的出线口应密封防水。
    （4）安装夹装式传感器时，要将管道外壁打磨干净，避免凹陷，管道内壁垢层不能太厚。
    （5）夹装式传感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。
    （6）在调试时若接收信号不好，要查看参数是否设置正确，对于插入式传感器安装时，两只传感器的工作面是否对正，也会影响信号的接收。

5结束语

随着技术的不断进步，超声波流量计已逐步在石化行业生产装置中占有了一席之地，由于其本身固有的优点，解决了计量仪表精确度和稳定度不高等相关问题，对于石化行业的优化生产有很大的现实意义。

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作者简介

李定川（1962-） 男 工学学士 工程师 技术总监  研究方向：自动化仪表应用工程领域