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超聲波流量計原理及應用

超聲流量計（以下簡稱USF）是通過檢測流體流動時對超聲束（或超聲脈沖）的作用，。本文主要討論用于測量封閉管道液體流量的USF。
20世紀70年代隨著電子技術的發(fā)展，性能日益完善的各種型號USF投入市場。有人預言由于USF測量原理是長度與時間兩個基本量的結合，其導出量溯源性較好，有可能據(jù)此建立流量基準。

 

封閉管道用USF按測量原理分類有：①傳播時間法；②多普勒效應法；③波束偏移法；④相關法；⑤噪聲法。本文將討論用得最多的傳播時間法和多普勒效應法的儀表。
1.1 傳播時間法
聲波在流體中傳播，順流方向聲波傳播速度會增大，逆流方向則減小，同一傳播距離就有不同的傳播時間。利用傳播速度之差與被測流體流速之關系求取流速，稱之傳播時間法。按測量具體參數(shù)不同，分為時差法、相位差法和頻差法?，F(xiàn)以時差法闡明工作原理。

（1） 流速方程式
如圖1所示，超聲波逆流從換能器1送到換能器2的傳播速度c被流體流速Vm所減慢，為：

   (1)
反之，超聲波順流從換能器2傳送到換能器1的傳播速度則被流體流速加快，為：

   (2)
式（1）減式（2），并變換之，得

   (3)
式中 L——超聲波在換能器之間傳播路徑的長度，m;
     X——傳播路徑的軸向分量，m;
     t12、t21——從換能器1到換能器2和從換能器2到換能器1的傳播時間，s;
     c——超聲波在靜止流體中的傳播速度，m/s;
     Vm——流體通過換能器1、2之間聲道上平均流速，m/s。
時（間）差法與頻（率）差法和相差法間原理方程式的基本關系為
  (4)
    (5)
式中 △f——頻率差；
△ φ——相位差；
f21,f12——超聲波在流體中的順流和逆流的傳播頻率；
f——超聲波的頻率。
從中可以看出，相位差法本質上和時差法是相同的，而頻率與時間有時互為倒數(shù)關系，三種方法沒有本質上的差別。目前相位差法已不采用，頻差法的儀表也不多。
（2） 流量方程式
傳播時間法所測量和計算的流速是聲道上的線平均流速，而計算流量所需是流通橫截面的面平均流速，二者的數(shù)值是不同的，其差異取決于流速分布狀況。因此，必須用一定的方法對流速分布進行補償。此外，對于夾裝式換能器儀表，還必須對折射角受溫度變化進行補償，才能精確的測得流量。體積流量qv為
    (6)
式中 K——流速分布修正系數(shù)，即聲道上線平均流速Vm和面平均流速vm和平面平均流速v之比，K=vm/v；
DN－管道內徑。
K是單聲道通過管道中心（即管軸對稱流場的最大流速處）的流速（分布）修正系數(shù)。管道雷諾數(shù)ReD變化K值將變化，儀表范圍度為10時，K值變化約為1％；范圍度為100時，K值約變化2％。流動從層流轉變?yōu)槲闪鲿r，K值要變化約30％。所以要精確測量時，必須對K值進行動態(tài)補償。
1）夾裝式換能器儀表聲道角的修正夾裝式換能器USF除了做流速分布修正外，必要時還要做聲道角變化影響的修正。根據(jù)斯那爾（Snall）定律式（7）和圖2，聲道角θ隨流體中聲速c的變化而變化，而c又是流體溫度的函數(shù)（以水為例，見圖3），因此，必須對θ角進行自動跟蹤補償，以達到溫度補償?shù)哪康摹?br />     (7)
式中 φ0－超聲在聲楔中的入射角；
φ1、φ－超聲在管壁、流體中的折射角；
c0、c1、c－聲楔、管壁、被測流體的聲速。
θ角不但受流體聲速影響，還與聲楔和管壁材料中的聲速有關。然而因為一般固體材料的聲速變化比液體聲速溫度變化小一個數(shù)量級，在溫度變化不大的條件下對測量精確度的影響可以忽略不計。但是在溫度變化范圍大的情況下（例如高低溫換能器工作溫度范圍-40-200℃）就必須對聲楔和管壁中聲速的大幅度變化進行修正。

2）多聲道直射式換能器儀表的流量方程式直射式換能器儀表的流量方程沒有管壁材料折射溫度變化影響。多聲道儀表常用高斯積分法或其他積分法計算流量。圖4是以四聲道為例的原理模型，流量計算式（8）所示。
   （8）
式中 DN－測量段內與聲道垂直方向上的圓管平均內徑或矩形管道的平均內高；
S－高斯修正系數(shù)；
Wi－各聲道高斯積分加權數(shù)；
Li－各聲道長度；
Vi－各聲道線平均流速；
θi－各聲道聲道角；
N－聲道數(shù)。

2.2 多普勒（效應）法
多普勒（效應）法USF是利用在靜止（固定）點檢測從移動源發(fā)射聲波多產生多普勒頻移現(xiàn)象。
（1） 流速方程式

如圖5所示，超聲換能器A向流體發(fā)出頻率為fA的連續(xù)超聲波，經照射域內液體中散射體懸浮顆?；驓馀萆⑸洌⑸涞某暡óa生多普勒頻移fd，接收換能器B收到頻率為fB的超聲波，其值為
(9)
式中 v－散射體運動速度。
多普勒頻移fd正比于散射體流動速度
(10)
測量對象確定后，式（10）右邊除v外均為常量，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與式（6）相同，只是所測得的流速是各散射體的速度v（代替式中的vm），與載體液體管道平均流速數(shù)值并不一致；方程式中流速分布修正系數(shù)Kd以代替K0 Kd是散射體的“照射域”在管中心附近的系數(shù)；其值不適用于在大管徑或含較多散射體達不到管中心附近就獲得散射波的系數(shù)。
（3） 液體溫度影響的修正
  式（11）中又流體聲速c，而c是溫度的函數(shù)，液體溫度變化會引起測量誤差。由于固體的聲速溫度變化影響比液體小一個數(shù)量級，即在式（11）中的流體聲速c用聲楔的聲速c0取代，以減小用液體聲速時的影響。因為從圖6可知cosθ=sinφ,再按斯納爾定律sinφ/c＝sinφ0/c0，式（11）便可得式（12），其中c0/sinφ0可視為常量。

    (12)
（4） 散射體的影響
實際上多普勒頻移信號來自速度參差不一的散射體，而所測得各散射體速度和載體液體平均流速間的關系也有差別。其他參量如散射體粒度大小組合與流動時分布狀況，散射體流速非軸向分量，聲波被散射體衰減程度等均影響頻移信號。

2.1 優(yōu)點
USF可作非接觸測量。夾裝式換能器USF可無需停流截管安裝，只要在既設管道外部安裝換能器即可。這是USF在工業(yè)用流量儀表中具有的獨特優(yōu)點，因此可作移動性（即非定點固定安裝）測量，適用于管網流動狀況評估測定
USF為無流動阻撓測量，無額外壓力損失。
流量計的儀表系數(shù)是可從實際測量管道及聲道等幾何尺寸計算求得的，既可采用干法標定，除帶測量管段式外一般不需作實流校驗。
USF適用于大型圓形管道和矩形管道，且原理上不受管徑限制，其造價基本上與管徑無關。對于大型管道不僅帶來方便，可認為在無法實現(xiàn)實流校驗的情況下是優(yōu)先考慮的選擇方案。
多普勒USF可測量固相含量較多或含有氣泡的液體。
USF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。
因易于實行與測試方法（如流速計的速度-面積法，示蹤法等）相結合，可解決一些特殊測量問題，如速度分布嚴重畸變測量，非圓截面管道測量等。
某些傳播時間法USF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。
2.2 缺點和局限性
傳播時間法USF只能用于清潔液體和氣體，不能測量懸浮顆粒和氣泡超過某一范圍的液體；反之多普勒法USF只能用于測量含有一定異相的液體。
外夾裝換能器的USF不能用于襯里或結垢太厚的管道，以及不能用于襯里（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）或銹蝕嚴重（改變超聲傳播路徑）的管道。
多普勒法USF多數(shù)情況下測量精度不高。
國內生產現(xiàn)有品種不能用于管徑小于DN25mm的管道。

3.1 組成
USF主要由安裝在測量管道上的超聲換能器（或由換能器和測量管組成的超聲流量傳感器）和轉換器組成。轉換器在結構上分為固定盤裝式和便攜式兩大類。換能器和轉換器之間由專用信號傳輸電纜連接，在固定測量的場合需在適當?shù)牡胤窖b接線盒。夾裝式換能器通常還需配用安裝夾具和耦合劑。圖7是系統(tǒng)組成示例，此例是測量液體用傳播時間法單聲道Z法夾裝式USF.
3.2 分類
可以從不同角度對超聲流量測量方法和換能器（或傳感器）進行分類。
（1） 按測量原理分類
封閉管道用USF按測量原理有5種，如2節(jié)所述，現(xiàn)在用得最多的是傳播時間法和多普勒法兩大類。
（2） 按被測介質分類
 


4.1 測量原理的選擇
  選擇液體用USF首先考慮測量原理是傳播時間法還是多普勒法？其主要判斷要素是：液體潔凈程度或雜質含量，測量精度要求?；具m用條件如表1所示。

  此外，對于外夾裝式儀表還要考慮管壁材料和厚度、銹蝕狀況、襯里材料和厚度；對于現(xiàn)場安裝換能器式儀表要考慮換能器類型；對于大管徑傳播時間法儀表要考慮聲道數(shù)，等等。下文將分節(jié)討論。

4.2 適用懸浮顆粒含量的范圍
    多普勒法USF要比傳播時間法適用懸浮顆粒含量上限高得多，而且可以測量連續(xù)混入氣泡的液體。但是根據(jù)測量原理，被測介質中必須含有一定數(shù)量的散射體，否則儀表就不能正常工作。
傳播時間法USF可以測量懸浮顆粒很少的液體，但不能測量含有影響超聲波傳播的連續(xù)混入氣泡或體積較大固體物的液體。在這種情況下應用，應在換能器的上游進行消氣、沉淀或過濾。在懸浮顆粒含量過多或因管道條件致使超聲信號嚴重衰減而不能測量時，有時可以試降低換能器頻率，予以解決。

4.3 測量精確度
（1） 傳播時間法
  傳播時間法比多普勒法有較高的測量精確度，液體基本誤差為±0.5％R至±5％FS，重復性為0.1％R-0.3％R；氣體基本誤差為±0.5％R到±3％FS，重復性為0.2％R-0.4％FS，高精度儀表均為多聲道儀表。中小口徑液體管段式超聲流量傳感器通常都用水做實驗校驗，具有±0.5％R的高精度。管外夾裝換能器或在現(xiàn)場管道固定安裝換能器的儀表，要通過定標計算接入現(xiàn)場管道流通面積和傳播距離長度測量誤差，夾裝在管道的不確定性，聲耦合變化等因素，要降低些。若安裝調試粗糙不細致，測量精確度有可能低到5％，甚至更低。測量精確度還取決于聲道數(shù)設置及其布置位置，下文將進一步討論。
（2） 多普勒法
  典型儀表的基本誤差為±（1％-10％）FS，重復性為（0.2％-1％）FS。工業(yè)用多普勒法USF的超聲波頻率為0.5-2MHz。多普勒信號包含著不同散射體移動速度的頻譜，檢測電路提供多普勒頻移若干平均測量值以求的速度。所測的散射體速度和流體平均流速之間的關系，隨著不同狀況而變化，有一定不確定性。
  多普勒法USF性能因受以下一些原因所形成的因素影響，整體性能要比傳播時間法低得多。例如：散粒體的性質；非軸向速度分量形成的多普勒頻移增寬；被照射域位置的不確定性；散射體和基相液體間的滑差。因此有些制造廠的技術數(shù)據(jù)僅列出儀表的重復性而不列測量精確度或基本誤差。
流體運行流速不能過低，過低的流速會使離散體分布不均勻。若測量管水平安裝，氣體會浮升在頂部流動，顆粒會沉淀于底部。最低流速通常為0.1-0.6ｍ／ｓ。

4.4 聲道設置和直管段要求
  多普勒法USF通常只有單套發(fā)送和接收換能器；便攜式外夾裝換能器傳播時間法USF通常也只有單聲道，其他夾裝式則也有用雙聲道者，帶測量管段式有單聲道和雙聲道以上。
（1） 傳播時間法
  傳播時間法采用多少聲道的主要依據(jù)是測量精確度要求和安裝儀表管段流動狀況（取決于上游阻流件組成和直管段條件），以及管徑大小。例如BS7405推薦管徑大于0.5m用3或4聲道，達于3m則用8聲道
單聲道從單一路徑的線平均流速乘上系數(shù)代表平均流速。單一路徑聲道的換能器設置通常是通過管道中心，即在橫截面投影圓的直徑上，其系數(shù)即如圖10.2所示。也右聲道設置在弦的位置上。流動速度分布畸變和存在徑向速度分量（如渦流、二次流）則會改變該系數(shù)值，弦位置的影響比直徑位置的影響小。多聲道測量多路徑線平均流速，更減少流動畸變影響，提高測量精度。
  確定聲道數(shù)有的可按儀表樣本規(guī)范選擇（如管段式USF，除單聲道外較多采用雙聲道計量聲道以上），有的則向儀表制造場聯(lián)系磋商（如現(xiàn)場安裝式USF，特別是大管徑應用，通常為3-8聲道）。
為了獲得流體沿管道中心平行對稱地流動，測量點上下游要有足夠的長度直管段作有效整流。不能滿足時應設置流動調整器。
  傳播時間法USF直管段長度要求尚未有國際標準或國家標準規(guī)定值，應按制造廠提供的規(guī)定。表2例舉幾個不同來源提出的要求，可作為選型時的一般依據(jù)。
（2） 多普勒法

(1)參考文獻[4];(2)Westinghouse公司樣本(3)Krohne公司樣本。

  對多普勒法USF的直管段要求也沒有國際標準和國家標準的規(guī)定值。人們對多普勒法USF直管段要求程度在看法上也迥然不同。一種看法認為：從原理上講多普勒法僅測量“照射域”內散射體的流速，其測量值受流速分布影響比傳播時間法大。為了盡量減少這種影響，除了采取其他一些方法外，還應保證照射測量域的上下游有足夠長度的直管段，以得到較好的流動狀態(tài)。例如日本電氣計測工業(yè)會認為多普勒法USF所需直管段長度一般應是傳播時間法的1.5倍。然而另一種看法是：多普勒法USF本身測量精確度等性能較低，流速分布影響相對于總體測量精確度不重要，直管段要求反而降低。例如有儀表制造廠提出只要在測量點上下游保持大于3-5DN的直管段。
4.5 換能器類型的選擇
（1） 傳播時間法
  本類儀表可采用換能器的類型較多，各廠家換能器結構不同，適用的流體條件（溫度、壓力等）、管道條件（材質、形狀、管徑、直管長度等）和安裝條件等也不相同。此外還與聲道的設置方法有關，而聲道的設置方法又與測量精度和重復性等密切相關。氣體用USF因固體和氣體界面間超聲波傳播效率非常低，只能用直射式換能器。因此氣體流量測量一般不采用外夾裝式USF。

（2）多普勒法
本類儀表用的折射式換能器。目前國內產品大部分采用夾裝式，但與傳播時間法所用的夾裝式換能的發(fā)射頻率等技術性能不同，不能混用。然而兩者適用管道條件是基本相同的。

4.6 安裝布置方面的考慮
1） 安裝位置和流動方向 USF的流量傳感部分（超聲流量傳感器或超聲換能器）一般均可安裝于水平、傾斜或垂直管道。垂直管道最好選擇自下而上流動的場所，若為自上而下，則其下游應有足夠的背壓，例如有高于測量點的后續(xù)管道，以防止測量點出現(xiàn)非滿管流。
2）單向流還是雙向流通常為單向流，但也可通過較復雜電子線路，設計成雙向流動，此時流量測量點兩側直管段長度均應按上游直管段的要求布置。
3）管道條件外夾裝式USF管道內表面積沉積層會產生聲波不良傳輸和偏離預期聲道路徑和長度，應予避免；外表面因易于處理較少影響。夾裝式換能器和管道接觸表面要涂上耦合劑。應注意粒狀結構材料（例如鑄鐵、混凝土）的管道，很可能聲波被分散，大部分聲波傳送不到流體而降低性能。換能器安裝處管道襯里或銹蝕層與管壁之間不能有縫隙。用V法的反設處必須避開焊縫和接口（參見圖11）。


4）上游流動擾動與大部分其他流量儀表一樣，USF敏感于流過儀表的流速分布剖面，因此也要求相當長度的上游直管段。前文已對直管段要求作了討論。
5）防止聲干擾應注意由控制閥高壓力降等所形成的聲學干擾，特別在測量氣體流量時尤為重要，設法避免之。例如Instromet公司的USF顯示儀中有聲干擾實時測量報警；測量管道中采用如圖9所示彎管阻斷聲干擾的措施。

4.7 經濟因素方面的考慮
  小口徑USF與其他流量儀表相比價格較貴，然而非管段式USF價格并不明顯增加。所以用于大口徑、超大口徑儀表有明顯價格優(yōu)勢。多聲道儀表有較復雜電子計算部件，價格要高些，因此在要求高精度的中小管徑上應用受到一些限制。然而上有擾動大而直管段布置受限制的場所，多聲道系統(tǒng)可能是僅有的合理解決方案。
  外夾裝式便攜式USF的機動性和可以多處使用，儀表購置費可分攤給各測量點，從而降低測量成本。
USF的流量校驗費用，外夾裝式儀表通常不作實流校驗，僅作靜態(tài)調試，液體用儀表可充實液調試；管段式儀表為提高儀表精度，均作實流校驗。因為這些校驗或調試在出廠前進行，一般包括在價格內。
大管徑儀表為了提高測量精確度或用戶需要在現(xiàn)場考核其精確度，或者測量位置流場畸變嚴重必須作實流標定，在測量原位用速度面積法等方法在線校驗，則應考慮其校驗費用。

5.1 流量傳感器或換能器的安裝
（1） 流量傳感器（即帶測量管段的插入式換能器總成）的安裝
1） 安裝本類流量傳感器時管網必須停流，測量點管道必須截斷后接入流量傳感器。
2） 連接流量傳感器的管道內徑必須與流量傳感器相同，其差別應在±1％以內。
3）流量傳感器上的傳感器盡可能在如圖10所示與水平直徑成45度的范圍內，避免在垂直直徑位置附近安裝。否則在測量液體時換能器聲波表面易受氣體或顆粒影響，在測量氣體時受液滴或顆粒影響。
4） 測量液體時安裝位置必須充滿液體。
5） 上下游應有必要的直管段。

（2）外夾裝式換能器的安裝。
  上面2）、3）、4）、5）各項應同樣注意外，還應注意以下各點。
1） 剝凈安裝段內保溫層和保護層，并把換能器按裝處的壁面打磨干凈。避免局部凹陷，凸出物修平，漆銹層磨凈。
2）對于垂直設置的管道，若為單聲道傳播時間法儀表，換能器的安裝位置應盡可能在上游彎管的彎軸平面內（見圖11），以獲得彎管流場畸變后較接近的平均值。

3） 換能器安裝處和管壁反射處必須避開接口和焊縫，如圖12以V法示例。
4）換能器安裝處的管道襯里和垢層不能太厚。襯里、銹層與管壁間不能有間隙。對于銹蝕嚴重的管道，可用手錘震擊管壁，以震掉壁上的銹層，保證聲波正常傳播。但必須注意防止擊出凹坑。
5） 換能器工作面與管壁之間保持有足夠的耦合劑，不能有空氣和固體顆粒，以保證耦合良好。
6）多普勒法夾裝式換能器安裝有對稱安裝和同側安裝兩種方法，如圖13所示。對稱安裝適用于中小管徑（通常小于600mm）管道和含懸浮顆粒或氣泡較少的液體；同側安裝適用于各種管徑的管道和含懸浮顆?；驓馀葺^多的液體。