[科普中国]-超声流量计

超声流量计是指一种基于超声波在流动介质中传播速度等于被测介质的平均流速与声波在静止介质中速度的矢量和的原理开发的流量计，主要由换能器和转换器组成，有多普勒法、速度差法、波束偏移法、噪声法及相关法等不同类型。1

工作原理根据对信号检测的原理，超声流量计可分为传播速度差法（直接时差法、时差法、相位差法和频差法）、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。

1、时差法：测量顺逆传播时传播速度不同引起的时差计算被测流体速度。

它采用两个声波发送器（SA和SB）和两个声波接收器

（RA和RB）。同一声源的两组声波在SA与RA之间和SB与RB之间分别传送。它们沿着管道安装的位置与管道成θ角(一般θ=45°)（图1）。由于向下游传送的声波被流体加速，而向上游传送的声波被延迟，它们之间的时间差与流速成正比。也可以发送正弦信号测量两组声波之间的相移或发送频率信号测量频率差来实现流速的测量。

2、相位差法：测量顺逆传播时传播时由于时差引起的相位差计算速度。

它的发送器沿垂直于管道的轴线发送一束声波，由于流体流动的作用，声波束向下游偏移一段距离。偏移距离与流速成正比。

3、频差法：测量顺逆传播时传播时的声环频率差。

当超声波在不均匀流体中传送时，声波会产生散射。流体与发送器间有相对运动时，发送的声波信号和被流体散射后接收到的信号之间会产生多普勒频移。多普勒频移与流体流速成正比。如图2中被测流体的区域位于发射波束与接收到的散射波束的交叉之处。要求波束很窄，使两波束的夹角θ不致受到波束宽度影响。也可只采用一个变换器既作为发送器又作为接收器，这种方式称为单通道式。在单通道多普勒血液流量计中，发送器间隔地发送声脉冲信号，在两个声脉冲间隔的时间中，接收从血管壁和血管内红血球反射回来的声脉冲信号。采用控制线路选择给定距离处的红血球反射信号,通过比较后得到多普勒频移,它与血液流速成正比。在已知血管横截面时可得到血液流量。2

特点(1)超声流量计可作非接触测量。夹装式换能器超声流量计可无须停流截管安装，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。

(2)超声流量计为无流动阻挠测量，无额外压力损失。

(3)超声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，可认为是在无法实现实流校验的情况下优先考虑的选择方案。

(4)超声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。

(5)某些传播时间法超声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。

(6)传播时间法超声流量计只能用于清洁液体和气体。

(7)外夹装换能器的超声流量计不能用于衬里或结垢太厚的管道，也不能用于衬里（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。3

分类超声波流量计的种类很多。依照不同的分类方法，可以分为不同类型的超声波流量计。

(1)按测量原理分类

封闭管道用USF按测量原理有多种，用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类。其中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测量流体流量的，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。

(2)按被测介质分类

有气体用和液体用两类。传播时间法USF两种介质各自专用，因换能器工作频率各异，通常气体在100～300 kHz之间，液体在l～5 MHz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4种。近年来，还出现了三声道、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有很大的作用。

(4)按换能器安装方式分类

可分为可移动安装式和固定安装式两种。

(5)根据实际应用的需要分类

超声波流量计又分为外夹式、插进式、管段式3种。

外夹式超声波流量计是生产最早、用户最熟悉且应用最广泛的超声波流量计，安装换能器无需管道断流，即贴即用，它充分体现了超声波流量计安装简单、使用方便的特点。

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测量，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测量中的一个困难，而且测量精度也比其他超声波流量计要高，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。

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、接收只经过被测介质，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。4

选型在明确需求的计量等级后，准确掌握被测流体的技术参数和工艺管线实况，是正确选用超声流量计的关键。

(1)被测介质性质。被测介质不同，流量计选型差异很大。应考虑介质腐蚀性、防爆等级等要求。测量腐蚀性介质的测量管和换能器应选用不锈钢材质或满足要求的其他材质。

(2)介质含气量或颗粒物情况。介质中气体或颗粒物会阻碍声脉冲的传递，影响时间差的测量，导致流量测量不稳定并增大测量误差，流量计上游应安装气体分离器，以确保气体及时排除。含气量大或颗粒物多的介质宜选用多普勒超声流量计。

(3)介质工况温度。明确被测流体的常用温度、最低温度、最高温度，可使制造商按照工况要求，选配测量管材质、换能器材质、电缆类型及密封材料等，温度等级通常分为：60℃以下、150℃以下、200。C以下等。为保证介质的流动性及防止挂壁，要做好流量计的伴热，并控制伴热温度。

(4)介质工况压力。流体的常用工作压力、设计最高工作压力。制造商一般按照设计最高工作压力选型，以保证流量计使用安全。

(5)准确度等级和声道数的确定。按照国家对能源计量器具的配备要求和生产的实际情况确定选用的流量计准确度等级，要注意性能价格比合理。声道数的选择主要依据所要求的测量准确度等级和现场管道条件（直管段、流态、被测介质的含气量等）来确定。

(6)流量范围。要根据流体的常用流量、最小流量、最大流量综合考虑，流量计时间测量准确度相同的情况下，声道越多低流速性能越好，量程范围越大。

(7)信息远传。需要信息远传时，要明确信号类型和通讯方式。

(8)明确工艺管线的法兰标准，如GB国家标准、JB机械部标准、HG化工部标准、SH石化标准，以及jIS日本标准和ANSI美国标准等。必须对应标准配套连接法兰，方便安装。

(9)在选型时，应同时综合考虑直管段的要求和工艺管线合理布局及安装的方式。例如：前后直管段情况，是否有弯头、扩径、三通、泵、阀门等；了解阀门种类和是否用于流量调节；安装方式是水平安装、垂直安装、固定安装还是移动安装；是否存在双向流情况及流向变化频次和规律；在相同原理、相同形式流量计情况下，通常是声道数越多测量准确度越高，要求直管段越短。

(10)供电要求。现场供电（交流或直流、电池），电压范围，控制器的接口要求几线制等。5

应用各种超声流量计已广泛用于工业生产、商业计量和水利检测等方面，如：

在市政行业的原水、自来水、中水、污水的计量中，超声流量计具有大量程比、无压损的特点，在保证测量准确度的同时提高了管网的输水效率；

在水利水电行业的输水管道、渠道、泵站、电站的流量计量中，超声流量计具有大口径、现场安装、在线标定的特点，使准确测量成为可能。同时通过对水泵、水轮机单泵、单机的计量来实现设备优化、经济运行的目的；

在工业冷却循环水的计量中，超声流量计实现了在线不断流带压安装和在线标定；

在商业计量方面多声道超声流量计已达到优于0.2%的准确度（示值误差）。

(1)传播时间法应用于清洁、单相液体和气体。典型应用有工厂排放液、:怪液、液化天然气等;

(2)气体应用方面在高压天然气领域已有使用良好的经验;

(3)多普勒法适用于异相含量不太高的双相流体,例如:未处理污水、工厂排放液、脏流程液;通常不适用于非常清洁的液体。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所