时差法超声波流量计的原理和设计

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概述

流量计包括机械式和非机械式两大类，机械式又分为旋翼式、螺翼式、涡轮式等，非机械式可分为超声波式、电磁式、涡街式等几类。机械式流量计由于成本较低得到了普遍应用，但是管路中的杂质、水垢容易造成运行数据不准，堵塞等现象，虽然加装滤网和磁性过滤器可以滤除较大颗粒杂质及磁性物质，但是仍有微粒杂质无法滤除，一定累积后会影响计量精度，严重的造成堵塞。

超声波流量计主要用于气体、液体和蒸汽的体积流量测量，在冶金、化工、食品加工、标准计量等领域有着广泛的应用，和传统的机械式流量计相比，它的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。

超声波流量测量原理

当超声波在流动的媒质中传播时，相对于固定的管道管壁而言，超声的传播速度与在静止媒质中的传播速度是不同的，其变化值与媒质流速有关。通过测量流动媒质中超声传播速度的变化，可以测量出流体的流速，由流速可以得出流量。

利用超声波测量流量大致可分传播速度差法(包括：直接时差法、时差法、相位差法、频差法)、波束偏移法、多普勒法、相关法、空间滤波法及噪声法等类型。超声波流量测量时，测量声传播路径上的介质流动线平均流速，并通过与修正系数相乘转换为管道截面上的面平均流速，从而可以用截面积和面平均流速的乘积计算瞬时流量。声道长度与传播时间的测量是超声波流量测量的两个最关键的因素。

波束偏移法是利用超声波束在流体中的传播方向随流体流速变化而产生偏移来反映流体流速的，低流速时，灵敏度很低适用性不大。

多普勒法是利用声学多普勒原理，通过测量不均匀流体中散

时差法超声波流量计的原理和设计

□ 济南热电有限公司 邹蓬

□ 中国石油大学胜利学院 吕传玉 李凤名

摘要

关键词

本文在分析了超声波流量计各种测量方法的测量原理和特点的基础上详细介绍了时差法超声波流量计的原理、结构和特点，设计了具体的实现过程，最后给出了使用时需要注意的事项，以推广和普及超声波流量计量技术。

超声波流量计；时差法；原理；设计实现

射体散射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，多普勒效应法需要流体中含有反射物质，适用于含悬浮颗粒、气泡等两相流体流量测量。

相关法是利用相关技术测量流量，原理上，此法的测量准确度与流体中的声速无关，因而与流体温度，浓度等无关，因而测量准确度高，适用范围广。但相关器材价格贵，线路比较复杂。

噪声法(听音法)是利用管道内流体流动时产生的噪声与流体的流速有关的原理，通过检测噪声表示流速或流量值。其方法简单，设备价格便宜，但准确度低。

直接时差法、时差法、频差法和相位差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流传播时速度之差来反映流体的流速的，统称为传播速度差法。其中频差法和时差法克服了声速随流体温度变化带来的误差，准确度较高，所以被广泛采用，本文详细介绍时差法。

时差法超声流量原理是通过测量随超声波传播速度而变化的

逆流与顺流的时间差 △t 来确定被测流体的流速的超声流量计，时间差 △t 与流速成正比关系，其比例系数称流量修正系数。如今时差法超声流量计已成熟，它具有准确度高和可靠性好的特点。

时差法超声波流量计的原理

时差法实际上是将超声波传播速度和液体流速进行矢量叠加为基础的。可简单比喻为在河流上渡船摆渡的过程。虽然顺流和逆流时渡船自身的速度是一样的，但由于受水流速度的影响，顺流时渡船到达对岸所需的时间要比逆流的少，流速越大，顺流的速度越快，而逆流所需的时间越长。顺流和逆流的时间差与流速成正比。

时差法超声波流量计其工作原理如图1所示。它是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种间接测量方法。

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图1 时差法超声波流量测量原理示意图

图1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D ，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流传播时间为t1,逆流传播时间为t2,超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L 长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，

其时间差可用下式表示：

（1）

其中：c 是超声波在非流动介质中的声速，V 是流体介质的流动速度，t2和t1之间的差为：

（2）

式中d 是两个换能器在管线方向上的间距。假设流体的流速和超声波在介质中的速度相比

是个小量。即：

上式可简化为：

（3）也就是流体的流速为：

（4）

由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。

流量Q

可以表示为：

（5）

时差法超声波流量计的设计

时差法超声流量计是由超声流量换能器和控制器（变送器）构成，控制器由CPU 和控制单元、发射单元、接收单元、键盘和显示单元组成。CPU 系统是中央控制单元和数据处理单元在软件支持下控

制工作程序，并进行数据处理，完成各种运算、补偿、定标等。其还能进行在线自诊断，用来检查故障的部位。发射电路的单元主要是有一个平衡电容放电电路，高速可控硅作为充电元件，控制发射功率和脉宽。所产生的高压发射讯问经切换电路的开关传给指定的换能器。发射的周期和脉宽视管径大小而异，周期为10ms 左右，脉冲越窄越好，发射电压达数百伏。

当对面的换能器收到声脉冲信号以后，经切换电路的开关，就进入了接收单元。信号首先被前置放大器放大后，通过一个中心频率为1MHz 、带宽为数十千赫兹的带通滤波器，再次被可调增益放大器放大后，进入检波器。检波器

实际上是一种比较器，将训于一定幅度的电压信号转化为数字脉冲信号，作为计时的停止指令，随后进行逆向声传播间测量。这一过程不断地交替进行。

图2是我们设计的超声波流量计的原理框图。图中主要有两个超声波发射单元、一个时间测量单元和一个控制器。它们共同来完成超声波的发射、接受和时间差的测量等工作。由于超声波受到介质及温度的影响，所以在设计中加入补偿功能，以适应具体的环境。外围单元主要包括测量仪表的参数设定、测量数据的输出、显示和传送等功能。

图2 超声波流量计的原理框图

时差法超声流量计的安装使用

1、时差法超声波流量计的换能器安装方式有多种，常见的有外夹式和内置

式，也有插入式，应根据实际环境选择合适的安装方式。2、安装位置上游有缩经、扩经、弯头、T 字三通、泵时，根据流量计的具体性能参数要保留足够的直管段。3、流量计尽可能水平或垂直安装为佳；管内必须充满液体。4、对于外夹式的换能器，应特别注意安装尺寸要准确，声耦合要好；插入式换能器和内置式换能器的每对换能器之间应相互对准；声程应精确测量。5、管内径尺寸应精确测量。6、超声波流量计探头使用一段时间，会出现不定期的报警。尤其是输送介质杂质较多时，这种问题会较常见，建议定期清理探头。 7、流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见，需要对引压管进行吹扫或加电伴热

结语

超声波流量计属于非接触式仪表，适于测量不易接触和观察的流体以及大管径流量，它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用超声波流量计，不用在流体中安装测量元件，故不会改变流体的流动状态，不产生附加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流量计。

随着电子技术的迅速发展、超声波技术的普及以及产品成本的降低和可靠性的提高，超声波流量仪表将成为流体计量中最为普遍采用的手段。

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