本期小编将要为大家介绍超声波流量计系列产品的知识，主要包括工作原理、计算公式、优缺点、分类、安装注意事项等几大项。超声波流量计的特点很多，结构简单、安装起来很方便，基本不需要对原有工艺管道进行改造，很适合很多老管道使用。
一、工作原理
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。
本文将为您介绍使用最多的基于传播时间法和多普勒效应法原理的超声波流量计产品。
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。
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。
（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
(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。
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。
1） 夹装式换能器仪表声道角的修正 夹装式换能器超声波流量计除了做流速分布修正外，必要时还要做声道角变化影响的修正。根据斯那尔（Snall）定律式（7）和图2，声道角θ随流体中声速c的变化而变化，而c又是流体温度的函数（以水为例，见图3），因此，必须对θ角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目的。
(7)
式中 φ0－超声在声楔中的入射角；
φ1、φ－超声在管壁、流体中的折射角；
c0、c1、c－声楔、管壁、被测流体的声速。
θ角不但受流体声速影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而因为一般固体材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条件下对测量精确度的影响可以忽略不计。但是在温度变化范围大的情况下（例如高低温换能器工作温度范围-40-200℃）就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变化进行修正。
2） 多声道直射式换能器仪表的流量方程式直射式换能器仪表的流量方程没有管壁材料折射温度变化影响。多声道仪表常用高斯积分法或其他积分法计算流量。图4是以四声道为例的原理模型，流量计算式（8）所示。
（8）
式中 DN－测量段内与声道垂直方向上的圆管平均内径或矩形管道的平均内高；
S－高斯修正系数；
Wi－各声道高斯积分加权数；
Li－各声道长度；
Vi－各声道线平均流速；
θi－各声道声道角；
N－声道数。
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） 流速方程式
（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。
（3） 液体温度影响的修正
式（11）中又流体声速c，而c是温度的函数，液体温度变化会引起测量误差。由于固体的声速温度变化影响比液体小一个数量级，即在式（11）中的流体声速c用声楔的声速c0取代，以减小用液体声速时的影响。因为从图6可知cosθ=sinφ,再按斯纳尔定律sinφ/c＝sinφ0/c0，式（11）便可得式（12），其中c0/sinφ0可视为常量。
（4） 散射体的影响
实际上多普勒频移信号来自速度参差不一的散射体，而所测得各散射体速度和载体液体平均流速间的关系也有差别。其他参量如散射体粒度大小组合与流动时分布状况，散射体流速非轴向分量，声波被散射体衰减程度等均影响频移信号。
二、超声波流量计优缺点和局限性 
2.1 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。
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 缺点和局限性
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。
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。
三、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7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.
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。
（1） 按测量原理分类
封闭管道用超声波流量计按测量原理有5种，如2节所述，现在用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类。
（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，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。
（3） 传播时间法按声道数分类
按声道数分类常用的有单声道、双声道、四声道和八声道四种。近年有出现三声道、五声道和六声道。四声道及以上的多声道配置对提高测量精度起很大作用。各声道按换能器分布位置（见图8），又可分为以下几种。
1） 单声道 有Z法（透过法）和V法（反射法）两种。
2） 双声道 有X法（2Z法、交差法）、2V法和平行法三种。
3） 四声道 有4Z法和平行法两种。
4） 八声道 有平行法和两平行四声道交差法二种。
（4） 按换能器安装方式分类有、
1） 可移动安装
2） 固定安装
四、安装注意事项
4.1 流量传感器或换能器的安装
（1） 流量传感器（即带测量管段的插入式换能器总成）的安装
1） 安装本类流量传感器时管网必须停流，测量点管道必须截断后接入流量传感器。
2） 连接流量传感器的管道内径必须与流量传感器相同，其差别应在±1％以内。
3） 流量传感器上的传感器尽可能在如图10所示与水平直径成45度的范围内，避免在垂直直径位置附近安装。否则在测量液体时换能器声波表面易受气体或颗粒影响，在测量气体时受液滴或颗粒影响。
4） 测量液体时安装位置必须充满液体。
5） 上下游应有必要的直管段。
（2）外夹装式换能器的安装。
上面2）、3）、4）、5）各项应同样注意外，还应注意以下各点。
1） 剥净安装段内保温层和保护层，并把换能器按装处的壁面打磨干净。避免局部凹陷，凸出物修平，漆锈层磨净。
2） 对于垂直设置的管道，若为单声道传播时间法仪表，换能器的安装位置应尽可能在上游弯管的弯轴平面内（见图11），以获得弯管流场畸变后较接近的平均值。
3） 换能器安装处和管壁反射处必须避开接口和焊缝，如图12以V法示例。
4） 换能器安装处的管道衬里和垢层不能太厚。衬里、锈层与管壁间不能有间隙。对于锈蚀严重的管道 ，可用手锤震击管壁，以震掉壁上的锈层，保证声波正常传播。但必须注意防止击出凹坑。
5） 换能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，以保证耦合良好。
6） 多普勒法夹装式换能器安装有对称安装和同侧安装两种方法，如图13所示。对称安装适用于中小管径（通常小于600mm）管道和含悬浮颗粒或气泡较少的液体；同侧安装适用于各种管径的管道和含悬浮颗粒或气泡较多的液体。
关于超声波流量计的知识就先为大家介绍到这里，如果您对超声波流量计还有什么不了解的地方，欢迎您提出疑问，我们将耐心为您解答，最后感谢您的关注与浏览。
