超聲波流量計

1、超聲波流量計原理及應用1、概述利用超聲波測量流速、流量的技術不僅用于工業(yè)計量，而且在醫(yī)療、海洋觀測、河流等的各種計量測試中有著廣泛的應用，這里主要說明在工業(yè)計量測試中使用的超聲波流量計。超聲流量計是超聲檢測技術的一種運用，超聲檢測是一種無損檢測。超聲波可以穿透電磁波、光波無法穿透的物體，同時又能在兩種物質（聲阻抗不同的物質）交界面上反射，由于物體內部的不均勻性，使超聲波衰減變弱，從而可分體內的裂紋、疏松、氣泡、沙眼、夾渣、未焊透和脫層等缺陷。所以，檢測超聲技術應用非常廣泛。它的突出優(yōu)點是檢測可靠、測定迅速、操作簡便、便于在現(xiàn)場使用，對人體無害，對系統(tǒng)不改變運行狀態(tài)，超聲儀器可用性好，壽命長，攜

2、帶方便。在國外已成功應用于船舶、冶金、機械、石油、化工、食品、電子、航天、建筑、農林、水產及醫(yī)療等領域。原理一般所謂超聲波流量計的測量原理如圖表1所示。測量原理是多種多樣的，如傳播速度差法聲循環(huán)法，時間差法和多普勒法，這里對其他方法則只做簡單的說明。從古至今一直在研究利用聲波測量液體和氣體的流速，但直到二次世界大戰(zhàn)為止沒有太大的進展。戰(zhàn)后爆發(fā)的技術革新首先在美國興起，繼相位差法之后，應用聲循環(huán)法（兩組型）的馬克森流量計于1995年首先作為航空燃料用流量計得到應用。這刺激了利用超聲波測量流量、流速技術的迅速進步，如上所述，在很多方面進行了研制，結果出現(xiàn)了時間差法和射束位移法等等。以后一段時期雖然

3、繼續(xù)進行了研制，但實用的計量測試儀器并未占有牢固的地位。進入二十世紀七十年代以后，由于IC（集成電路）技術的迅猛發(fā)展，可以使用高性能、工作非常穩(wěn)定的PLL（鎖相環(huán)路）回路技術，因此產生了將這種技術用于流量計的設想，結果，陸續(xù)出現(xiàn)了作為實用計量測試儀器的超聲波流量計。而現(xiàn)在，隨著聲循環(huán)法的發(fā)展，以PLL（鎖相環(huán)路）技術為基礎的超聲波流量計在實際中也得到了應用。 另一方面，在蘇聯(lián)雖然也廣泛地進行了理論研究，論述了基于流速分布的流量修正系數問題，而一般來說，包括西歐各國在內，其研究創(chuàng)新不如美國進行的活躍。 日本從二十世紀五十年代后期開始研究用超聲波測量流量、流速；繼研究相位差法之后又研究了聲循環(huán)法（

4、一組變換型），1964年1月第一臺實用的超聲波流量計開始運轉。其后，經過了一些實流試驗，和文丘利流量計、電磁流量計等一起大量地應用到大流量測量中。由于使用這種方法可以從管道外側測量流量，所以在水利發(fā)電廠中被用來測量水輪機效率，不久，日本全電力會社也將其作為輕便式流量計來使用，并制定了檢測指南。以后，還進行了采用聲循環(huán)法的超聲波流量計的研制，也進行了明渠河流、風速等的測量。其后不久，使用PLL（鎖相環(huán)路）技術的超聲波流量計成了主要的、大口徑管道用的計量測試儀器。 到此為止，我們談的主要是傳播速度差法，而另一重要方法是多普勒法。多普勒法最初是在船舶或艦艇上用來測量船速，海底或水中的懸濁物被用做超聲

5、波的漫反射源。這一技術也在醫(yī)用的血流測量中得到應用，現(xiàn)在被看做是非觀血的、無侵襲的臨床測量血液的重要手段?？墒?，在工業(yè)計量測試方面，即使在日本以外的國家也未得到太多的應用，日本也只是最近才開始在下水、排水的流量測量中使用。但是，如圖1所示，多普勒法對流速變化的靈敏度較其他方法好得多，值得重視。 以上概述了用超聲波流量計測量流量、流速技術的發(fā)展情況。超聲波流量計除了可以不妨礙流動地測量流速外，只要能傳播超聲波的流體皆可以用此法來測量流速，也可以測量高粘度液體、非導電性液體或者氣體的流速，而且，不管被測對象多大，例如河流之類也可以用此法測量其流速，因此現(xiàn)在的應用范圍正在迅速擴大著。特別是超聲波法可

6、以從厚的金屬管道外側測量管內流動的液體的流速，它具有不用對原有管子進行任何加工就可實施流量測量的特征，而這是其他方法所不具備的，對于這點下面將做稍微詳細的說明。2、傳播速度差法2.1原理數十年來，人們一直試圖用超聲波來進行流量的計量測試，而實用的超聲波流量計直到十幾年前才算完成了。其主要原因在于：一般情況下測量的液體流速在每秒數米以下，而液體中的聲速約1500米/秒，流速帶給聲速的變化量至多不過10-3數量級，在工業(yè)計量中當測量流速要求精度達1時，對聲速的測量精度要求為10-5到10-6，過去的計量技術要想長期保持這樣的高精度是很困難的。但是，如前所述，由于電子測量技術的進步，克服了上述的困難

7、，現(xiàn)在已有數種超聲波流量計得到了實用，下面將說明一下是怎樣克服這個困難的。 將流體流動時與靜止時超聲波在流體中傳播的情形進行比較，由于流速不同會使超聲波的傳播速度發(fā)生變化。如圖2所示，取靜止流體中的聲速為C，流體流動的速度為V，當聲波的傳播方向與流體流動的方向一致（順流方向）時，其傳播速度為（C+V），而聲波傳播方向與流體流動方向相反（逆流方向）時，其傳播速度為（C-V）。我們在距離為L的兩處放兩組超聲波發(fā)生器與接收器（T1，R1和T2，R2），當T1順方向、T2逆方向發(fā)射超聲波時，超聲波分別到達接收器R1和R2所需要的時間分別為t1和t2,則：t1=L/(C+V) (1)t2=L/(C-V)

8、 (2)一般情形下，液體中的聲速C在1000米/秒以上，而多數工業(yè)用的流速V不超過每秒幾米，即由于C2V2，因此得到： t=t2-t1=2LV/C2 (3)因而，如果知道了L、C，通過測量時間差t就可以求得流速V。但是，由于這個時間差非常小，因此，早期使用了檢測靈敏度高的相位差法。所謂相位差法，就是測量順、逆兩個方向接收波的相位差，而時間差t 和的關系為： =2ftt (4)這里，ft是超聲波的頻率。由此可知，相位差法和時間差法的原理可以看做是一樣的。上述方法中的問題在于：根據式（3），需要明確的知道正確的聲音速度C。一般而言，液體中的聲速C是溫度的函數，例如，水中的聲音速度由于水溫而變的關系

9、如圖3所示。這種關系可用下面的數學形式來表示。此式是包含有水溫、含鹽量、水深的一般實驗式：C=1449.2+4.6T-0.055T2+0.00029T3+(1.34-0.010T)(S-35)+0.016D式中，C是聲音速度（米/秒）；T是水溫（）；S是含鹽量（）；D是水深（米）。此式的適用范圍為：0T35；0S45; 0D1000米。由此可知，為了正確測量流速，需要進行聲速修正。在式（3）中，為了消去C2項進行了許多努力。例如，可以采用這樣一些手段：當CV時，由式（1）可以得到CL/t1；或者由式（1）和式（2）得到C=2L/(t1t2)；或者當C2V2時，得C2L2/(t1t2)等等。可是

10、，若使用聲循環(huán)法，就不需要進行這種聲速修正。聲循環(huán)法的原理可用圖2來說明。首先從發(fā)生器T1沿順流方向發(fā)射超聲波脈沖，在接收器R1處接收這個信號。再在放大器1處把此接收信號進行放大，把輸出信號加到發(fā)生器重復的頻率（聲循環(huán)頻率）f1為：f11/t1（C+V）/L (6)其次，在逆方向的T2-R2也進行了同樣的操作，可以得到聲馴化聲循環(huán)頻率f2為：f21/t2=（C-V）/L (7)從這里可以得到兩個聲循環(huán)頻率之差，取此差為f，則可得：ff1f22V/L （8）由于此式中不含有聲音速度C的項，因此流速的測量可以與聲音速度無關。可是，由于這個f非常小 ，為了提高測量精度尚需進一步努力。2.2相位差法相

11、位差法本質上和時間差法是相同的，兩者的關系用圖1說明，可得：4ftDcot*V/C2 (9)這里，ft為超聲波頻率；D為管道直徑。 由于相位差法和頻率成正比，頻率愈高則測量的靈敏度也高?？墒菓摽吹?，頻率提高時，可能測量得最大流速值也就降低了，因此必須適當選取頻率值。按圖1所示方式使用連續(xù)波時，有可能產生兩個測量系統(tǒng)間的相互干擾，為了避免這點，提出了把一組超聲波發(fā)射接收器進行周期性轉換的方案，也提出了更簡單的、不進行轉換的、同時進行發(fā)射接收的方案。2.3聲循環(huán)法 應用聲循環(huán)法的超聲波流量計其特點在于：可與被測液體中的聲速無關的測量流速，現(xiàn)在作為大口徑管道用的流量計已經得到了最廣泛的應用。（1）

12、 聲循環(huán)回路用聲循環(huán)法測量的原理如前所述，是利用構成順、逆兩個方向的聲循環(huán)回路來進行的。這種場合，脈沖經回路一圈的時間叫做聲循環(huán)周期，其倒數叫聲循環(huán)頻率。一般而言，這個周期t取決于超聲波經過發(fā)射接收器間的距離L所用的傳播時間，若取聲速C，則t=L/C。若聲循環(huán)頻率為f，則f=C/L，如果已知L，可以由測量f而求出聲速C，因此，這是大量用來測量聲速的最正確的方法之一，據說其穩(wěn)定度在十分鐘內優(yōu)于107，三個月內優(yōu)于104。（2） 二組方式這種方式是聲循環(huán)法的典型，上文已談到使用這種方法的馬克森流量計是最早應用而有名的流量儀器。這種流量計如圖4所示，與密度測量部件配合起來可測量質量流量。在此圖中，超

13、聲波發(fā)生器T1、接收器R1、放大器1和電信號發(fā)射機1構成順方向的聲循環(huán)回路，T2、R2、放大器2、電信號發(fā)射機2構成逆方向的聲循環(huán)回路。再以間歇振蕩方式由10兆赫石英振蕩器中發(fā)射超聲波脈沖，對面的10兆赫石英振蕩器接收這個信號。這樣一來，兩個回路所產生的聲循環(huán)頻率分別取為fa、fu，則： (C+Vcos)fa= (10) L(C-Vcos)fu= (11) L若兩者的差額為f，則得： 2Vcosffa-fu= (12) L這種流量計的測量精度優(yōu)于2%，測量范圍是最小流量的20倍，當雷諾數在3104到106之間時，流速分布對直線性的影響約為1%左右。 當流速小時，兩個回路的聲循環(huán)頻率接近，由于頻

14、率牽引現(xiàn)象，用這種方式不能進行流速測量。曾經考慮的措施之一是使用不同的頻率，但這樣做的話，要保持兩個回路的特性相同是困難的，從而產生精度上的問題。為了避免這點，又提出了這樣的流量計的設計方案，它的結構是：給一回路以固定的延遲，則即使流速為零，差頻也不為零；為了檢測零點，向同方向發(fā)射超聲波，并交替轉換另一回路的超聲波的發(fā)射和接收。（3） 一組轉換方式保持兩個聲循環(huán)回路的特性在長期內相同并且避免相鄰兩個回路間的相互干擾是非常困難的，因此提出了僅用一個聲循環(huán)回路按時交替轉化的分時方式的方案。也就是說，超聲波的接收、發(fā)射和電信號的放大、發(fā)射回路（無線電收發(fā)機）僅僅是一組，這個超聲波收發(fā)器的發(fā)射和接收在

15、一定周期內交替轉換，使超聲波的傳播方向逆轉，分別地把對應的聲循環(huán)頻率用加減運算技術器計數，從而得到頻率差。 本方式的一例如圖5所示，超聲波收發(fā)器P1裝在管道的外璧上，使超聲波射束斜著經過液體中傳播，在被測液體是水的場合，振蕩器用0.4兆赫或1兆赫的鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT），并使用超聲波射束入射角為40的膠木材料作為塑料楔。在這個楔子和管子的交界面上超聲波射束發(fā)生折射，同時產生波形變換，在管材為鋼、鑄鐵等鐵系材料時，產生從縱波到橫波的變換。這里特意使橫波的理由在于，超聲波在水中的透過率，橫波比縱波高，而且橫波向水中的折射角也能取的大寫。向此水中的折射角大約為23，可以把超聲波收發(fā)器P2設置在對面管

16、璧的一個位置上，在該位置可以有效地接收從該角度發(fā)射的超聲波。兩個超聲波收發(fā)器希望制造的完全相同，因而具有相同的特性，它們既起超聲波發(fā)生器又起超聲波接收器的作用。交替轉換開關用來轉換超聲波的發(fā)射方向，一定時間使超聲波沿順流方向發(fā)射，再經同一時間間隔沿逆流方向發(fā)射。時間圖如圖6所示。 順流、逆流方向的聲循環(huán)頻率分別取為fa、fu，其差取為f，則：Vsin2 Csin -2f=fa-fu= ( 1+ ) (13) D D式中，V為流速；為超聲波的行進方向和液體流動方向的夾角；D為管道內徑；為固定延遲時間，即：超聲波經過塑料楔、管壁和襯材傳播所需的時間以及電信號滯后時間之和。 在式（13）中括號內的第

17、二項包含有聲速C，而在大口徑管道中，這一項非常小，因此即使C發(fā)生變化也幾乎不產生測量誤差。 在大口徑管道的情況下f非常小，因此，為了提高精度，縮短測量時間，使用了倍頻回路（倍率為數十到數百倍）。然后，把倍頻的脈沖數對應著順逆方向進行加減運算，其殘值就是與流速成正比的解。正如后面第2.5節(jié)第（1）項所詳述的，這樣得到的流速值不是普通意義的平均流速，而是超聲波射束通過水路中各點的流速的平均值。因此，用超聲波流量計測量的流速V和真正的平均流速V之比若命名為流量修正系數K，則瞬時流量Q可以用平均流速和水流的橫截面的乘積來表示：d2Q V （14）4k 在圖5中，有數字式儀表求累積流量，有數模轉換回路（

18、D/A轉換器）得到瞬時流量，基本測量方式是數字式。典型的大口徑管道用的超聲波流量計的標準規(guī)格如表2所示。然而，在這個表中有些附屬電路并沒有表示出來，例如：為了把由于流動的紊亂而造成的測量值的離散度搞得平滑，具有數字式的對測量值偏差進行平均化的回路；為了模擬，有阻尼常數交 表2大口徑管道用超聲波流量計（聲循環(huán)法）規(guī)格之一例被測流體種類 原水、凈水、工業(yè)用水、海水溫度 0-40混濁度 5000度以下被測管道（水流管道）材質 鋼、鑄鐵、延性鑄鐵口徑 300-5000mm內表面 不管有無襯里都可測量流速0-1m/s（最小間隔）以上測量精度滿刻度為1m/s的場合（對于滿刻度）大口徑為1.0%,中口徑為1

19、.5%主機電源電壓：100，110,200,220VAC10%,50/60HZ中的任意一種。消耗功率：100VA測量周期：0.24S同軸電纜RC12/U,PE鎧裝，最長500m替變換器，還有為了消除由于水中的氣泡、異物而造成的超聲波射束的遮斷和電噪聲而附屬的數字式處理回路等等。再者，除了有對各部分機能進行檢查的檢測器外，還附屬有顯示動作異常的警報燈以便于進行維修檢查。 此外，作為附加機能，也可以附加兩方向（順、逆）測量、兩測線（直徑）交替變換、兩量程交替變換、數字輸出（二一十進制編碼法四位）等。2.4時間差法用時間差法測量流速、流量，在初期是用模擬技術進行的。其典型例子是在進行醫(yī)學實驗時，用脈

20、沖傳播時間法測量流經血管內的血液流速。在這種實驗里，把兩個傳感器和血管相接，使用3兆赫的小型鈦酸鋇陶瓷振蕩器用高速交替變換的一組轉換方式進行超聲波的收發(fā)，在測量1厘米/秒以下到1米/秒以上的流速時線性很好。測量范圍的界限取決于漂移和噪聲，據報道四小時以內在0.5厘米/秒以下。近年來，由于數字式技術的進步可以精密測量微小時間，因此，在順、逆兩方向同時發(fā)射脈沖，把這些接收波前沿的時間差用數字方式進行測量等的文獻發(fā)表了，并以實用化為目標進行了種種試驗。（1）相位同步回路（鎖相環(huán)路PLL）時間差法在工業(yè)計量中得到實用卻是最近的事，其原動力之一在于相位同步回路（鎖相環(huán)路PLL）技術的進步。相位同步回路是

21、一種自動反饋控制系統(tǒng)，電壓控制振蕩器（VCO）的振蕩頻率隨著輸入信號的頻率或其平均值一致地變化。這種鎖相環(huán)路技術雖然早在1930年已為人們所知道，但線路復雜、成本高等原因，只能用在特殊的測量器具和通訊設備上。（2）用鎖相環(huán)路（PLL）的時間差法由于最近IC（集成電路）技術的發(fā)展有可能普遍使用PLL（鎖相環(huán)路），使用這種技術的超聲波流量計如圖7所示。接收相位差檢出分頻VCO(1)同 步轉換器調制器分頻接收相位差檢出VCO(2)在這個例子里，把一組1.2兆赫的壓電躍變（PZT）振蕩器放在管壁上進行流量測量，據報道，在100倍以上的測量范圍內得到高精度，測量回路如圖所示用了兩組PLL（鎖相回路），一

22、個回路沿順方向、另一回路沿逆方向發(fā)射超聲波，把P1,P2兩個探測器的收發(fā)交替進行轉換。測量相位差，是指測量VCO（電壓控制振蕩器）的振蕩頻率分頻為N分之一的信號和接收信號之間的相位差（時間差）。這個接收信號是把分頻信號和同期發(fā)射的信號接收下來的信號，超聲波在液體中的傳播時間比發(fā)射時間滯后。因為順、逆兩個回路都是鎖相環(huán)路，因此，在鎖定相位的場合，電壓控制振蕩器（VCO）（1）以N/T1的頻率進行振蕩（其中的T1是超聲波從P1到P2的傳播時間），電壓控制振蕩器（VCO）（2）以N/T2的頻率振蕩（其中的T2是超聲波從P2到P1的傳播時間）。因此，這個頻率之差為：F1-F2=N(1/T1-1/T2)

23、 (15)這和由聲循環(huán)法原理所得到的關系相同，也是不需要進行聲速修正的流速、流量測量法。這里的N和聲循環(huán)法的倍頻的倍率M相當。 下面說明一下另一種作為實用產品的稱為TLL方式的超聲波流量計。圖8給出了這種流量計的原理圖，其原理和前面說明的圖7相同，但是，消除掉超聲波經過探測器和管壁傳播所需要的固定時間t的影響；在由于氣泡等的影響得不到接收信號的情形下由信號接收OFF檢測部將其檢出；這樣一來，電壓控制振蕩器（VCO）的本振蕩頻率將不受影響。這個流量計的時間圖如圖9所示。由此圖可知，由于順、逆交替轉換的時間可以做任意程度的變化，因而在存在有害的多重反射波的情形下，可以避免其影響。再者，通過調整衰減

24、，在90%的相應時間內，相應可以在1-100秒間變換。其它的規(guī)格和在第2.3節(jié)第（3）項中所敘述的聲循環(huán)法一組轉換方式的流量計幾乎相同。 由于水溫變化使得超聲波射束在水中的折射角發(fā)生變化，在其它的實用產品中也考慮了不影響其精度的修正手段，而且提出了其它各種實驗方案。 （3）組合法傳播速度差法除了上述的典型測量方法外，還可以將這些方法組合起來，下面作為例子說明一下把聲循環(huán)法和時間差法或相位差法組和合起來的兩種方式。 一種方式是把順逆方向的聲循環(huán)動作各自進行N次，其間進行時間的測量，于第2.4節(jié)第（2）項的方式每次進行順逆轉換比較起來，長時間的進行測量，可以提高測量精度。另一個例子是已得到實用的，

25、中小口徑（300毫米以下）用流量計（如圖10所示），它是把2兆赫的PZT（鋯鈦酸鉛陶瓷）安在塑料楔上的兩個測量端安裝在被測量管道上。為了得到式（12）所給出的f，把順、逆兩個方向的聲循環(huán)回路按照收發(fā)交替轉換構成，這樣可以得到各自的聲循環(huán)頻率之差，而由于在順逆方向的聲循環(huán)頻率差值，兩個發(fā)射（接收）信號時刻一致的回路必然不穩(wěn)定。為此，A回路（順流方向）以周期TA進行通常的聲循環(huán)動作，B回路（逆流方向）如圖11所示，在A回路發(fā)射了發(fā)射信號脈沖后，延遲約TA/2的時間再發(fā)射信號，B回路的周期TB通常由延遲控制回路自動進行控制使與TA相等。若這樣做的話，把周期TB和周期TA搞成相同所必需的延遲控制電壓E

26、c為：Ec2Lcosv/C2 (16) 在這種方式中，超聲波在塑料楔中傳播時間等的固定延遲將被抵消，而由于液體溫度不同將會產生聲速誤差，這里限定被測液體為水，用熱敏元件對策出的水溫進行修正，在水溫為0-30之間時，精度可達滿刻度（1米/秒以上）的1.5%左右。2.5流量測量 （1）管內流速分布的影響傳播速度差法從原理上看是測量超聲波途徑上的平均流速，因此，該測量值是線平均。所以，它和一般的面平均（真平均流速）不同，其差異取決于流速的分布。 對于流速小的層流范圍而言，在圓管內的流速分布是拋物面狀分布，真平均流速是最大流速的二分之一，而由超聲波流量計測量的值是表示最大流值的三分之二。因此，用超聲波

27、流量計測出的流量是真正的流量的三分之四倍。這個關系在流體層流流動的范圍內，即雷諾數約2320以下的場合可以保持一定。 可是，在流速大的紊流范圍中，與流動截面有關的流速分布因雷諾數Re而異，隨著雷諾數Re的增大，近似于均勻分布。因此，當用超聲波流量計測量包含有中心的途徑上的平均流速值V時，將它與真平均流速V之比命名為流量修正系數k，k的值可以作為雷諾數Re的函數表示出來，這個問題很多人進行了研究。其典型之一是流速分布按對數規(guī)律分布，并可用下面的式子來表示： Vk= =1+0.016.25 + 431Re-0.237 (17) V可是，這個式子利用的是尼庫拉茲的摩擦系數，在Re為105以下的范圍內

28、需要利用布拉修斯摩擦系數加以修正，或者也可以用簡單的實驗式k=1.119 0.11 log Re (18)來表示。如果流速變化十倍，即雷諾數變化十倍，其對數為1，由此式可知，k的變化僅約為1%。以上的計算結果歸納在圖12中 流動若在層流和紊流范圍之間，也就是過渡范圍那種情形下，流動是不穩(wěn)定的，因此，需要考慮這種范圍?？墒?，實際上對于特大口徑管道而言，那種范圍內的流速只是極小的問題，而流動在管中心軸上的不對稱所造成的誤差才是大問題。在下面的（2）中將對這點加以說明。（2）流速測量方式 一般而言，在流體是以管軸為對稱軸沿管軸平行的流動時，用圖13（a）所示的直接透過法（簡稱Z法）測量，可以得到好的

29、精度?？墒?，當流動的方向與管軸不平行、存在著沿半徑方向流動的速度成分W是，在超聲波的傳播方向產生了Wsin的速度成分，這成了流量測量中產生誤差的原因?？墒?，這個誤差用同一圖的（b）法所示的反射法（V法）可以避免。當W在P1P2的范圍中取為一定時，在超聲波脈沖的傳播途徑P1R和RP2中，速度成分Wsin相互抵消。作為這種方法的變形，在探測回路間隔受限制的場合，可以利用同圖的（c）所示的交叉法（X法）。在直管段長度較短的場合，由于上流側對流動的影響，上述的測量方式就不十分適用了。在這種情形下，有效的測量方式是增加測量線，也就是增加超聲波傳播的途徑，例如，像圖（13）的（d）所表示的，在垂直相交的二

30、軸上測量流速，取平均值。隨著測量線數目的增加測量精度也能提高，一般認為有四條測量線也就足夠了。也提出圖（13）的(e)所示配置多沒量線的方案，但用這種方式時，穿過外壁地很困難的（甚至是不可能的），安裝超聲波收發(fā)器的測量管的構造也復雜。即使采用這種方式，在小口徑管道的情況下也不能得到足夠的時間差，因此采用圖14所示的方式，把超聲波傳播距離增長。使用這種方式可以進行實流校驗，因此，可以保證精度。（a）Z法（透過法）(b)V法（反射法）(c)X法（交叉法）(d)2V法(e)平行法圖13超聲波收發(fā)器的基本配置法（a）(b)(c)和多測線構成法（d）（e）。(a)-(d)法可以透過外壁，（e）是接觸液體

31、型。（3）流量計的安裝與超聲波流量計的精度有關的因素是多種多樣的，而安裝超聲波收發(fā)器的流管（被測管道）的位置是極其重要的。一般是在該位置如圖15所示來設置接收箱，其設置的場所應盡可能遠離泵、閥等流動紊亂的地方。泵應離接收箱上流側50D（D為管道內徑）處，而流量控制閥則應為30D，不管那種情況，直管段長度在上流側需要10D以上，而下流側則需要5D左右。 在超聲波傳播不穩(wěn)定時，超聲波流量計的可信度將降低。當然，短時間的不穩(wěn)定狀態(tài)可以用“消除異常值回路”等電路的方法除去，但是，在含有過多氣泡的液體中，超聲波不易 透過，可能造成測量的困難甚至不可能測量。氣泡和液體中的異物也是造成超聲波傳播損耗的原因，

32、當傳播距離為1米有5000ppm以上的懸濁物質時，可以用多普勒法等進行穩(wěn)定的測量。 超聲波接收器（探頭）如圖15所示置于流管的正側面。這樣做的理由在于，氣泡易于積聚在管道的上方，大的異物則沿管道底部流動，它們都將妨礙超聲波的穿透。 在把接收箱和流量計主機間用同軸電纜連接起來的場合，其間距離太長時將受到外部噪聲的影響，因此，在大口徑管道的場合，把500米以下作為標準。 2.6應用實例 應用傳播速度法的超聲波流量計主要是以水為測量對象，而在非導電性液體、腐蝕性液體中也得到部分應用，并試圖使用于氣體中。管徑的適用范圍為20-5000毫米，而從幾米寬的明渠、暗渠直至500米寬的河流皆可使用。一般看來，

33、超聲波流量計在測量大流量時較其他流量計有著非常顯著的優(yōu)點。下面舉幾個實用的例子。（1） 暗渠的流量測量暗渠的流量測量的例子如圖16所示。在這種場合，方形水渠內充滿著水，因次即使用一條測量線進行測量也可得到好的精度。這種水渠一般以混凝土制的為多，但是，由于混凝土使超聲波傳播的損耗大，因此在相應的超聲波傳播的途徑部分使用不銹鋼鋼板。并在探測器的對面的壁上安裝上反射板，采用所謂V法以避免流動偏離管道對稱軸所產生的偏流的影響。（2） 明渠流量的測量與農業(yè)用水、下水道有關，明渠被廣泛的使用著，為了求得流量，除了測量流量流速外還需要測量水位（水深）。在圖17所示的水位變動不大的情形下，把探頭（超聲波收發(fā)器

34、）固定在能給出平均流速的水深附近（離水面距離為水深的60%的位置），測量該位置（測量線）的流速。另一方面，預先用實驗方法求出取決于水位變化的平均流速和測量流速之比，把這個值通過線性插入法來修正測量流速，通常將其作為真平均流速（流量/水流截面積之值）輸出；將此值與由測量水位得到的水流截面積相乘，以此乘積作為流量由流量運算器輸出。這種方式適用于水位和流速分布一一對應的場合，但是，當這種一一對應關系沒有保證的場合，需要使用多測量線才能正確求出平均流速。這種方式現(xiàn)在不僅適用于明渠，也適用于河川。（3） 水輪機效率的測量為了測量水利發(fā)電廠的水輪機的效率，需要測量水壓鐵管中流動的水量，過去使用的是皮托管法

35、等?？墒?，超聲波法有下列優(yōu)點：可以不用斷水、停電的進行測量；不需要專用的測量時間；節(jié)省人力。這里包括測量準備、測量實施、撤回作業(yè)、數據處理等等。測量的復線性好。用二直徑法測量時精度為1.2%。水利發(fā)電廠用的流量計是輕便式的，安裝于水壓鐵管的探測器用永久磁鐵（磁鐵底座）固定，拆卸也很方便。3多普勒法3.1原理（1）由單個粒子引起的多普勒頻移應用多普勒效應來測量流速、流量的研究多與血流計有關，已經發(fā)表了連續(xù)波、脈沖波、M系列調制波等許多方便的文獻，而將這種方法用于工業(yè)計量測試方面的研究則是尚未很好的進行，現(xiàn)在得到實用的僅是連續(xù)波法的零交叉方式，下面主要說明一下這種方式。 若傳播超聲波的介質中存在著

36、一個單個的粒子，則它和周圍的介質流動的規(guī)律一樣，以和介質相同的速度V移動。假如給定超聲波收發(fā)器T、R，把發(fā)射頻率取為ft,則由于粒子的慢反射，進入超聲波接收器的結收頻率為fr，靜止介質中的聲速若取為C，則fr可表示為： C+Vcos1 V(cos1+ cos2)fr=ft ft1+ (19) C-Vcos2 C這里，后面的式子是CV時的近似式，1、2是超聲波傳播方向和流動方向的夾角，在12的場合，式（19）可表示為： 2V cosfr=ft(1+ ) (20) C超聲波收發(fā)頻率之差（命名為多普勒頻率）若為fd，則由此可知，多普勒頻率fd與流速V成正比例。（2）多個粒子的功率譜線下面，我們以圖1

37、8為例研究一下存在許多與介質一起流動的小顆粒的情況。這里超聲波接收器R的接收波是從如圖所示的照射域（超聲波收發(fā)器的有效指向角的交叉領域）內的粒子產生的散射波的合成，而照射域的平均流速V可以表示為：這里，K為比例常數；w=2fd;fd是各個粒子具有的多普勒頻率；S（w）是考慮到照射域內的粒子集合的場合下的功率譜線密度。因此，如果求出了S（w），就可以求出平均流速，把這種設想具體化的測量血流的方法以及使用傅立葉變換法的方式等文獻已經發(fā)表了。（3）零交叉方式所謂零交叉法是把不規(guī)則信號的振幅為零的頻率（一秒鐘內振幅為零的次數）進行計數，并討論該信號的統(tǒng)計性質，例如平均頻率等。多普勒流速計利用了平均多普

38、勒頻率和平均流速成正比這種關系。土18給出了一個零交叉方式流量計的示意圖。具有頻率為2兆赫的石英振蕩器的振蕩部分所產生的連續(xù)波在電信號發(fā)射部分進行電放大，由超聲波發(fā)聲器T發(fā)射出ft=2兆赫的連續(xù)超聲波。這個超聲波被照射域內的粒子所散射，受到了與粒子速度成正比的多普勒頻移的散射波入射到接收器中，而一部分原來的頻率ft也被直接收到，接收信號具有的頻譜如圖所示。把這些接收信號放大，再把它與從本振部分來的連續(xù)波混頻再檢波，當用濾波器取出低頻成分時，就可得到多普勒信號。這個信號也具有如圖所示的頻譜，從時間上看是如圖所示那種不規(guī)則的波行。這個多普勒信號的零交叉頻率可表示為： 將這個式子和式（22）比較可知

39、，一般而言，和V沒有比例關系，因此，用零交叉法在測量大范圍內的平均流速方面想取得良好精度（直線性）還是有問題的。 所以，在用這種流量計時，僅當流速為大致一定的狹小范圍、照射域有限時，S（w）才可以看做是直線譜，零交叉頻率和流速（看做是點流速）有比例關系。因此，零交叉計數器的輸出可以如式（22）所給出的、表示照射域的流速，即測量管中心軸上的流速。其次，如第2.3節(jié)第（3）條所說明的，可以利用流量修正系數得到流量輸出。此時的流量修正系數Ka的計算值如圖12所示。由式（21）可知，當聲速發(fā)生變化時，用多普勒法會產生測量誤差。可是，使用圖18所示的塑料導向板可以避免這種測量誤差。由該圖可知，當波的折射

40、規(guī)律在塑料材料和水的交界面上適用時，由于塑料材料中的聲速C1和溫度無關，是固定的，則：由此可得：以上討論的是把流速測量點（照射域）選在中心軸上，而把這個測量點選在距管內壁為0.11D（D為內徑）處時，可以得到平均流速。對于紊流狀態(tài)的流速分布，可用對數規(guī)律來計算。3.2應用實例 以前說明的傳播速度差法僅適，用于比較干凈的液體，而多普勒法可適用于液體中含有大量異物和氣泡等的場合，因此后者可以用于對下水、排水或者挖泥船的泥水等的流量、流速進行測量。這里說明一下與超聲波水位計組合的下水道流量計，這種流量測量方式也可以適用于一般形狀的明渠。 這個流量計如圖19所示，由水位（水深H）和流速Vp可以得到流量Q。把此時的平均流速和用多普勒法測量的點流速Vp之比叫做點修正系數Kp ，這個系數的值可單值的由水深H來確定。由于水流截面積相A是H的函數，所以Kp和A的積Kq=Kp A也成了H的函數，當把H和Kq的關系送到函數發(fā)生器里時，則由Q=KqV可以求得流量。這里，Kp的值可以表示為： Kp1+ng1/2R-1/6(Ar5.75log10 這里，n為粗糙系數；R