超聲波流量計的原理及應用

（2003年 大連索尼卡恩威公司服務部）

一．引言

首先家簡單介紹一下流量計的概念

凡是有物質流動的場合，人們為掌握其數量都需要流量測量。流量分為瞬時流量（Flow Rate）和累計流量（Total Flow）

瞬時流量（Flow Rate）：單位時間內過封閉管道或明渠有效截面的量。流過的物質可以是氣、液、固體。數學公式：   v為流體的體積,工程上常用的單位m3/h.

累計流量（Total Flow）：在某一段時間間隔內（可以是一天、一周、一月、一年）流體流過封閉管道或明渠有效截面的累計量稱為累計流量，通過將瞬時流量對時間積分可求得累計流量。數學公式：

流量計（Flowmeter）：用以測量瞬時流量或累計流量的器具統稱為流量計

 

流量計廣泛應用于能源計量如水，氣等含能工質。流量計的種類繁多，可大體分為幾大類，約幾百種以上。

（1）    差壓式流量計：1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。

（2）    轉子流量計

（3）    容積式流量計：1.橢圓齒輪 2.腰輪 3.刮板 4.旋轉活塞

（4）    渦輪流量計

（5）    電磁流量計  ：大管徑，造價高。安裝時需要停水斷管

（6）    渦街流量計

（7）    超聲波流量計

（8）    質量流量計  

（9）    其它流量計

 

上述流量計優、缺點，用途各異。用戶選表總想找到一種理想的流量計以解決它的流量計量問題，而流量計制造廠都力圖制造出一種理想流量計以適應更廣泛的需要。總結千百種流量計的所有優點可以提出理想流量計的條件如下：

　　1．檢測件無阻礙物；　

　  2．檢測件可夾裝在管道外部，可隨意移動在任何地點測量而無須截斷管道與流體；　　

3．儀表的流量計算方程簡單明確，可外推到未知領域而無須實流校驗；　　

4．頻率脈沖輸出信號，數字式儀表，便于遠傳抗干擾及與計算機聯網；　　　

5．儀表輸出信號不受流體流動特性的影響；　　

6．儀表復現性高；　　

7．儀表范圍度寬，線性好；　　

8．儀表可靠性高，價格適宜，維修技術不復雜；　　

9.無須個別實流校驗，或只須“干校”，或在一、二種介質中校驗可推廣到各種介質；　　

10.檢測件輸出信號直接反映質量流量。 　　

可以說至今并沒有出現上述的理想流量計，所有流量計都多少具備一些上述條件，只不

過有的多些，有的少些。所有流量計制造廠試制新產品都力圖能更多地具備上述條件。

我們今天介紹的超聲波流量計，目前之所以能被相當廣泛的用戶普遍接受是有客觀原因的。主要是它能在更多方面更好地滿足理想流量計的一些條件。

 

二．超聲波流量計的歷史

（1）    1928年德國人研制成功第一臺超聲波流量計，并取得了專利。至今超聲波流量計以有

75年歷史

（2）1955年首先應用于馬克森（MAXSON）流量計測量航空燃燒油，這是一種基于聲循環法的兩組探頭（換能器）組成的液體流量計

（3）1958年A.L.H-ERDRICH等人發明折射式探頭，由于他們的研究可進一步消除由于管壁

的交混回響所產生的相位失真，也為管外夾裝提供了理論依據。

進入20世紀七十年代以后，由于集成電路和鎖相環路技術的發展，使超聲波流量計得以克服以前的精確度不高，響應慢，穩定性與可靠性差等致命弱點，使實用的超聲波流量計得以發展。

近20年來特別是近10年來，基于高速數字信號的處理技術與微處理技術的快速發展，基于新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置與流量動力學的研究，超聲流量測量技術取得了長足進展，顯示了強勁的技術優勢，發展勢頭迅猛。2000年在巴西召開的國際流量測量學術會議（FLOMEK-O‘2000）上共宣讀學術論文集103篇，其中直接涉及超聲波流量計及超聲波技術的論文20篇，約占論文總數的1/5。在歷次國際流量學術會議上，采用超聲波流量計作為傳遞標準的文獻愈來愈多，可見超聲波流量計其潛在的巨大的生命力。

 

三．超聲波流量計的分類

（1）    按原理分：

A．           傳播速度差法：

a.       時差法（目前最常采用此法）b.頻差法（聲環法）c.相位差法

d. 多普勒法（目前最常采用此法）e.相關法 f.射束位移 g.渦街法

（2）按探頭（換能器）安裝方式分：

A．外夾式

B．插入式（即濕式）又分為：

a.帶測量管段的   b.不帶測量管段，直接在工藝管段上實現安裝的。

（3）按聲道數目劃分：

A．單聲道

B．多聲道（2—8聲道）