超声波流量计的原理及应用 ——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
（2003年 大连索尼卡公司服务部） P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
一．引言 WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
首先家简单介绍一下流量计的概念 WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
凡是有物质流动的场合，人们为掌握其数量都需要流量测量。流量分为瞬时流量（Flow Rate）和累计流量（Total Flow） P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
瞬时流量（Flow Rate）：单位时间内过封闭管道或明渠有效截面的量。流过的物质可以是气、液、固体。数学公式： v为流体的体积,工程上常用的单位m3/h. WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
累计流量（Total Flow）：在某一段时间间隔内（可以是一天、一周、一月、一年）流体流过封闭管道或明渠有效截面的累计量称为累计流量，通过将瞬时流量对时间积分可求得累计流量。数学公式： ——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
流量计（Flowmeter）：用以测量瞬时流量或累计流量的器具统称为流量计 WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
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流量计广泛应用于能源计量如水，气等含能工质。流量计的种类繁多，可大体分为几大类，约几百种以上。 P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
（1） 差压式流量计：1.皮托管 2.孔板 3.文丘里管。 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
（2） 转子流量计 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
（3） 容积式流量计：1.椭圆齿轮 2.腰轮 3.刮板 4.旋转活塞 P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
（4） 涡轮流量计 WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
（5） 电磁流量计 ：大管径，造价高。安装时需要停水断管 WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
（6） 涡街流量计 WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
（7） 超声波流量计 WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
（8） 质量流量计 WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
（9） 其它流量计 WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
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上述流量计优、缺点，用途各异。用户选表总想找到一种理想的流量计以解决它的流量计量问题，而流量计制造厂都力图制造出一种理想流量计以适应更广泛的需要。总结千百种流量计的所有优点可以提出理想流量计的条件如下： WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
1．检测件无阻碍物； P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
2．检测件可夹装在管道外部，可随意移动在任何地点测量而无须截断管道与流体； WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
3．仪表的流量计算方程简单明确，可外推到未知领域而无须实流校验； WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
4．频率脉冲输出信号，数字式仪表，便于远传抗干扰及与计算机联网； WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
5．仪表输出信号不受流体流动特性的影响； ——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
6．仪表复现性高； WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
7．仪表范围度宽，线性好； P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
8．仪表可靠性高，价格适宜，维修技术不复杂； WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
9.无须个别实流校验，或只须“干校”，或在一、二种介质中校验可推广到各种介质； WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
10.检测件输出信号直接反映质量流量。 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
可以说至今并没有出现上述的理想流量计，所有流量计都多少具备一些上述条件，只不过有的多些，有的少些。所有流量计制造厂试制新产品都力图能更多地具备上述条件。 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
我们今天介绍的超声波流量计，目前之所以能被相当广泛的用户普遍接受是有客观原因的。主要是它能在更多方面更好地满足理想流量计的一些条件。 WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
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二．超声波流量计的历史 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
（1） 1928年德国人研制成功第一台超声波流量计，并取得了专利。至今超声波流量计以有 W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
75年历史 WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
（2）1955年首先应用于马克森（MAXSON）流量计测量航空燃烧油，这是一种基于声循环法的两组探头（换能器）组成的液体流量计 WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
（3）1958年A.L.H-ERDRICH等人发明折射式探头，由于他们的研究可进一步消除由于管壁 WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
的交混回响所产生的相位失真，也为管外夹装提供了理论依据。 WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
进入20世纪七十年代以后，由于集成电路和锁相环路技术的发展，使超声波流量计得以克服以前的精确度不高，响应慢，稳定性与可靠性差等致命弱点，使实用的超声波流量计得以发展。 WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
近20年来特别是近10年来，基于高速数字信号的处理技术与微处理技术的快速发展，基于新型探头材料与工艺的研究以及声道配置与流量动力学的研究，超声流量测量技术取得了长足进展，显示了强劲的技术优势，发展势头迅猛。2000年在巴西召开的国际流量测量学术会议（FLOMEK-O‘2000）上共宣读学术论文集103篇，其中直接涉及超声波流量计及超声波技术的论文20篇，约占论文总数的1/5。在历次国际流量学术会议上，采用超声波流量计作为传递标准的文献愈来愈多，可见超声波流量计其潜在的巨大的生命力。 P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
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三．超声波流量计的分类 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
（1） 按原理分： WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
A． 传播速度差法： WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
a. 时差法（目前最常采用此法）b.频差法（声环法）c.相位差法 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
d. 多普勒法（目前最常采用此法）e.相关法 f.射束位移 g.涡街法 WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
（2）按探头（换能器）安装方式分： WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
A．外夹式 WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
B．插入式（即湿式）又分为： WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
a.带测量管段的 b.不带测量管段，直接在工艺管段上实现安装的。 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
（3）按声道数目划分： WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
A．单声道 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
B．多声道（2—8声道） WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
（４）按性能分； WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
Ａ．标准型 B．固定式 C．便携式 D．低温防水型 E．其他 WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
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四．超声波流量计的基本原理 WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
1．基本原理 WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
超声波在流动的流体中的传播速度与流体的流速有关。相对于固定座标系(如管壁)，顺流的超声波的传播速度将大于逆流的传播速度。为实现流量（流速）测量，首先需要有一个发射超声波的换能器（俗称超声波探头），通常采用石英等材料制成的压电元件作为换能器。发射超声波时是利用负压电效应，即利用高频电脉冲的作用，使压电晶体高频振动，从而发出脉冲变化的高频压力波（即超声波）。超声波以某一角度射入流体中传播，然后由装在管道对面的接收换能器接受。接受换能器则利用正压电效应，将高频压力波又转换高频的电脉冲信号。 plcjs.技.术_网
可以轮流交替地利用同一个换能器及发射高频、短时的脉冲压力波，又用来接收对面换能器发来的脉冲压力波。可以用一组换能器兼做超声波的收、发用。由于人耳听到声音的上限频率是20千赫，而此种流量计所收、发的压力波的频率是0．5—10兆赫（典型频率是1MHz）,属于超声波范畴，超声波流量计因此得名。 WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
2．管外夹式时差式液体超声波流量计的工作原理 WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
该类型流量计利用测量超声波在管道中传播时间原理而实现的。介质（液体）在管道中流速，与超声波沿介质顺流和逆流传播的时间差存在着线性关系。只要分别测量出超声波顺流、逆流的传播时间，就可以依据线性关系得到沿管道路径上各点流速的瞬时平均流速。这样，介质流量则可以通过流速、管道截面积以及雷诺数等得到。 WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
当超声波束在液体中传播时，流体的流动将使传播时间产生微小变化，并且其传播时间的变化正比于液体的流速，由此可求出液体的流速。