一、超聲測(cè)量流速和流量的基本原理

表4.1為超聲原理測(cè)量流速和流量的各種方法

表4.2為典型的超時(shí)測(cè)量流量、流速基本原理公式。

    超聲流量計(jì)中的時(shí)差法、相位差、回鳴法所測(cè)量的是聲波在順流和逆流方向傳播速度之差。因此，這些流量計(jì)均是流速傳感器，它們所反映的僅是沿聲道的平均流速，所給出的體積流量也*是在導(dǎo)管、河道的截面積，以及流速剖面分布已知條件下才能得到，如圖4. 1所示。流量測(cè)量的精確度用范圍度的百分?jǐn)?shù)（%Fs）或相對(duì)誤差（R%）來(lái)表示。由于速度的剖面分布會(huì)隨雷諾數(shù)而改變，流速修正系數(shù)也在變化。例如，一個(gè)在湍流范圍內(nèi)的2:1流速變化，修正系數(shù)會(huì)受影響在l%左右。隨機(jī)因素（非穩(wěn)態(tài)）也會(huì)產(chǎn)生另外一些誤差。所以，發(fā)展了3~5個(gè)聲道側(cè)量技術(shù)來(lái)減小計(jì)量誤差。

由于聲速c并非常數(shù)，而是液體成分、密度和溫度的函數(shù)，所以這項(xiàng)技術(shù)需要對(duì)聲速補(bǔ)償。此外，這種方法測(cè)量口徑小于25mm的小管流量極為困難。因?yàn)槁暢踢^(guò)短，可得到的時(shí)差分辨流速變化的能力下降，尤其是低流速。一個(gè)明顯的事實(shí)是聲速1500m/s（水中），而流速不過(guò)每秒數(shù)米。  在相差法中，發(fā)射和接收的都是連續(xù)波信號(hào)，將順流與逆流接收信號(hào)所產(chǎn)生的相位變化值φ1和φ2加以比較，通過(guò)兩者之間的相位差△φ就可以側(cè)量流速。缺點(diǎn)是這種方法也必須考慮聲速變化的影響。這種方法用得不多.

 回鳴法（s ing一around）是通過(guò)測(cè)量逆流聲脈沖頻率與順流聲脈沖頻率之差來(lái)確定被測(cè)流體的流速.脈沖頻率是傳播時(shí)間的倒數(shù)。這種方法中，*速v對(duì)聲速c的依賴性被消除了。流速v與頻率的關(guān)系如下式所示△f=2νcosθ/L

式中 △f——逆流與順流頻率之差。由于ν與△f成正比，并與c無(wú)關(guān)，加上頻率比較易于測(cè)量，精確度高，所以這種方法也有應(yīng)用。多普勒法是向流動(dòng)著的液體發(fā)射聲波，并側(cè)量從被測(cè)流體的散射體上返回信號(hào)的頻移.這些散射體是和被測(cè)流體同一速度運(yùn)動(dòng)著的固體粒子或氣泡。頻移與流速ν有關(guān)

這種方法僅檢測(cè)聲束范圍內(nèi)的流速，并要求流體內(nèi)有足夠大的散射體存在。某些連續(xù)流動(dòng)的復(fù)雜流體，如泥漿、氣一液混合物，適合用這種方法測(cè)量流量。多普勒流量計(jì)應(yīng)用得較多，現(xiàn)今還出現(xiàn)了雙頻率多普勒法流量計(jì)。

    在聲束偏移法中，超聲傳感器垂直于管子軸線輻射聲波，在流體內(nèi)形成的聲束被流體推移而偏轉(zhuǎn)一段距離Y. Y是流速的函數(shù)，并與聲源強(qiáng)度I有關(guān):Y=DνI/c

當(dāng)聲速是常數(shù)時(shí)，這種測(cè)量方法才能測(cè)量流速，而且，c》ν，Y非常小，不容易定量。另一個(gè)不確定因素是偏移量對(duì)聲源強(qiáng)度的依賴性。由于這些原因這種方法基本上已不用。

噪聲法是超聲傳感器被動(dòng)地接收管道中所產(chǎn)生的噪聲，當(dāng)管道流量增加時(shí)，噪聲級(jí)也隨之增加。這種方法無(wú)法定量，而只能用作流量開(kāi)關(guān).如油流或氣流中所夾帶的沙量控制。

二、超聲流量計(jì)的特點(diǎn)

      超聲流量計(jì)有如下特點(diǎn)。

      ①可以在不妨礙流體運(yùn)動(dòng)的情況下測(cè)量流速.無(wú)壓力損耗;無(wú)活動(dòng)部件，幾乎沒(méi)有磨損零部件。

      ②任何可以傳播超聲波的流體、非導(dǎo)電液體或氣體都能測(cè)量其流速、流量。

      ③儀表的價(jià)格不隨口徑的增加而大幅上升。

      ④可在管外側(cè)測(cè)量管內(nèi)液體流速;在非滿管的情況下，也易于測(cè)出流量。

      ⑤一些產(chǎn)品可以干標(biāo)定，而無(wú)需使用“標(biāo)準(zhǔn)流量裝置”進(jìn)行流速、流量檢驗(yàn).

      ⑥可在已有管道上，幾乎無(wú)需任何加工，即可測(cè)量管內(nèi)液體流量。

      ⑦一定情況下，不斷流就可以檢修超聲傳感器。

      三、超聲流l計(jì)的分類

      超聲流量計(jì)可按下述原則來(lái)分類。

      （1）根據(jù)測(cè)量原理

      ①時(shí)差法超聲流量計(jì);

      ②相差法超聲流量計(jì);

      ③頻差法超聲流量計(jì);

      ④多普勒超聲流量計(jì);

          ⑤液位測(cè)量和平均流速測(cè)量相結(jié)合的半滿管和河渠超聲流量計(jì);

          ⑥液位測(cè)量和堰、槽（文丘里槽，巴歇爾槽）相結(jié)合的超聲明渠流量計(jì);

          ⑦噪聲流量開(kāi)關(guān)等。

（2）根據(jù)使用方式

①便攜式超聲流量計(jì);

②固定式（標(biāo)準(zhǔn)管段式）超聲流量計(jì)。

（3）根據(jù)傳感器的安裝方法

①標(biāo)準(zhǔn)管段（式）超聲波流量計(jì)；

②夾裝式超聲流量計(jì);

③插入式超聲流量計(jì)。

（4）根據(jù)*與流體是否接觸

①侵入式（接觸式）超聲流量計(jì);

②非侵入式（非接觸式）超聲流量計(jì)。

（5）根據(jù)被測(cè)流體的性質(zhì)

①液介超聲流量計(jì)（超聲液體流量計(jì)）;

②氣介超聲流量計(jì)（超聲氣體流量計(jì)）。

（6）根據(jù)傳感器聲道的數(shù)目

①單聲道，如Z式、V式、W式;

②多聲道，如X式、多聲道平行的Z式、陣列式等。

四、應(yīng)用

    超聲流量計(jì)能測(cè)量哪些液體的流速和流量?原則上講，流體的超聲衰減不是很大，溫度不太高（一般不要高于150℃，特殊結(jié)構(gòu)可用于較高溫度），為常溫;流體是均質(zhì)的，無(wú)沉淀，不會(huì)積垢zui為理想。這對(duì)于利用順向、逆向聲速傳播速度不同的測(cè)量方法十分適合。液體中含有的氣泡和固體顆粒不足以使聲信號(hào)經(jīng)常中斷，也不會(huì)影響測(cè)量。反之，使用多普勒方法測(cè)量比較好。

表4.3列出了若干種適合用超聲流量計(jì)測(cè)量的流體。

             表4.3超聲波流量計(jì)可以測(cè)量的流體