*節 超聲波流量計工作原理

      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zui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。按測量具體參數不同，分為時差法、相位差法和頻差法。現以時差法闡明工作原理。

      （1）流速方程式

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      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。

      （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，才能的測得流量。

         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（以水為例，見圖3），因此，必須對θ角進行自動跟蹤補償，以達到溫度補償的目的。

         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量級，在溫度變化不大的條件下對測量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。

      2.2 多普勒（效應）法

      多普勒（效應）法USF是利用在靜止（固定）點檢測從移動源發射聲波多產生多普勒頻移現象。

      （1）流速方程式

   超聲換能器A向流體發出頻率為fA的連續超聲波，經照射域內液體中散射體懸浮顆粒或氣泡散射，散射的超聲波產生多普勒頻移fd，接收換能器B收到頻率為fB的超聲波，其值為

      （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值并不一致；方程式中流速分布修正系數Kd以代替K0，Kd是散射體的“照射域”在管中心附近的系數；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。

      （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，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。

      （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。

      第二節 超聲波流量計優缺點和局限性

      2.1 優點

      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，可認為在無法實現實流校驗的情況下是優先考慮的選擇方案。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多數情況下測量精度不高。國內生產現有品種不能用于管徑小于DN25mm的管道。

      第三節 分類和結構 

      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的地方裝接線盒。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節所述，現在用得zui多的是傳播時間法和多普勒法兩大類。

      （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100~300kHz之間，液體在1~5MHz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聲波傳播效率較低。

      （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、四聲道和八聲道四種。近年有出現三聲道、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起很大作用。各聲道按換能器分布位置（見圖8），又可分為以下幾種。

      1）單聲道 有Z法（透過法）和V法（反射法）兩種。
      2）雙聲道 有X法（2Z法、交差法）、2V法和平行法三種。
      3）四聲道 有4Z法和平行法兩種。
      4）八聲道 有平行法和兩平行四聲道交差法二種。

      （4）按換能器安裝方式分類有

      1）可移動安裝
      2）固定安裝

      第四節 選用考慮要點

      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。

      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，等等。下文將分節討論。 

       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，而且可以測量連續混入氣泡的液體。但是根據測量原理，被測介質中必須含有一定數量的散射體，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 測量度

    （1）傳播時間法 

      傳播時間法比多普勒法有較高的測量度，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場管道固定安裝換能器的儀表，要通過定標計算接入現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，測量度有可能低到5%，甚至更低。測量度還取決于聲道數設置及其布置位置，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據僅列出儀表的重復性而不列測量度或基本誤差。

       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。zui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是測量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。

       確定聲道數有的可按儀表樣本規范選擇（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磋商（如現場安裝式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定值，應按制造廠提供的規定。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。

       （2）多普勒法

       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。例如日本電氣計測工業會認為多普勒法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本身測量度等性能較低，流速分布影響相對于總體測量度不重要，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管道，以防止測量點出現非滿管流。

       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。

       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度或用戶需要在現場考核其度，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。

       第五節 安裝注意事項

       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粒或氣泡較多的液體。