超声波流量计应用研究综述

摘要：作为工业检测系统中重要的测量仪表，超声波流量计在石油、天然气的运输，化工生产控制的原料流量计量等方面得到了广泛的应用的使用。本文重点讲述了超声波流量计的基本原理，介绍了现阶段常用超声波流量计的主要应用领域和测量精度，再者对超声波流量计现阶段的研究进展予以分析。最后对若干需要研究的问题进行了展望。

关键词：超声波流量计；时差法；多普勒法；测量精度

一、引言

自1928年第一台超声波流量计问世以来，经过近百年的发展，超声波流量计以其非接触式，压力损失小，可靠性高，易于数字化管理等优点广泛应用于供水，电力，石油，化工，天然气等各种计量测试中。Flow Research和Ducker Worldwide的研究报告指出全球超声波流量计2000年销售达2.4亿美元。2005年全球超声波流量计的年销售已达30亿美元。占所有类型流量计总销售额的10%以上，可见超声波流量计所占市场份额之大。

二、超声波流量计的分类及简析

按测量原理分类：传播速度差法、多普勒法、波束偏移法和噪声法。由于时差法、相位差法和频差法的基本原理都是通过测量超声波脉冲顺流和逆流对速度之差来反映流体的流速的，故又统称为传播速度差法，其中时差法和频差法克服了声速随流体变化帶来的误差，准确度较高，所以被广泛应用。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射的超声波多普勒频移来确定流体流量的，适用于含悬浮粒、气泡等流体流量的测量。

根据获取时差（相位差、频差）方法的不同，又可分为直接时差法（相位差法、频差法）、相关时差法（相位差法、频差法）等。直接时差法计算简单，对超声波脉冲特性要求简单，但时差测量的结果基本由阈值点处的波形状况决定，容易受各种不确定干扰（如管道内气泡）的影响，信噪比较低的管道状况下整体测量精度难以得到保证相关法能有效地利用波形的整体信息，弱化突发噪声白噪声对测量结果的影响。

目前传播速度差法（时差法、相位差法、频差法）和多普勒法是工业超声波流量计中采用的最多的方法。其两者的市场占有量分别是81%，13%。

三、超声波流量计的工作原理及精度分析

（一）传播速度差法

1.时差法超声波流量计。时差法超声波流量计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。测量他的顺流传播时间和逆流传播时间的差值。其差值与流速成正比。从而计算流体流量。如果管径较大时， 可以增加声道数， 分析方法相同。测量精度可达±1.5%。如果是在大口径高流速的情况下使用，时差法的精度相对来说是最高的，测量精度可达±1%，如果要再进一步提高精度就要依照具体情况进行补偿。

2.相位差法超声波流量计。从时差法的分析可看出流速V受声速c的影响大，声速受温度，湿度等的影响。此外△t的量级很小，约为纳秒级，并且测量△t需要复杂的电子仪器。所以常采用测量连续超声波在顺流和逆流传播时接收信号之间的相位差，简称相差法。

3.频差法超声波流量计。频差法超声波流量计是在直接时差法和相差法的基础上发展起来的，在被测流体内由两对超声波发射器组成两个通道，一个通道接顺流方向发射超声波，另一个通道接逆流方向发射超声波。

（二）多普勒超声波流量计

超声波多普勒流量计是基于物理学中的声学的多普勒效应实现对流量测量的。超声波发射器为一固定声源，不断向管道内发射固定频率的超声波，随流体一起运动的示踪粒子（固体颗粒或气泡）与声源之间存在相对运动，它把来自发射器的入射超声波反射回接收器，这样，反射信号与发射信号频率出现差异（即频移△f），称这个差异为多普勒频移。

（三）波束偏移法超声波流量计

波束偏移法是利用超声波束向垂直流体流动的方向入射时，由于流体的流动而使超声波束产生偏移的现象，以偏移量的大小来度量被测流体的流速。此方法的缺点是流体低速时，灵敏度很低，适用性不大。

四、超声波流量计研究进展

（一）国外发展现状

当今超声波流流量测量技术处于领先水平的国家有：美国、日本、荷兰、德国、英国、和加拿大等。它们在超声波流量计方面具有较高的技术，在研制和生产方面具有丰富的经验，占据了很大部分份额的超声流量计市场，主导着超声波流量计的发展趋势。较著名的有荷兰的Daniel、美国的Controlotron和Instromet、德国的Krohnc等，较多的国外产品采用数字信号处理技术，如“同步调制”和FFT技术，同时结合功能强大的DSP技术，实现快速实时地对超声波信号进行处理，并实现一些复杂的测量或数据处理算法。在测量方法方面有的利用改进的算法，来提高系统的测量精度，使得超声波流量计得到更广泛的应用。

（二）国内发展现状

国内生产超声波流量计厂家主要有唐山汇中仪表有限公司、唐山大方电子技术有限公司、上海自动化仪表有限公司等。但是我们的产品和国际水平还是存在差距。近年来由于大规模集成电路技术的发展，数字处理技术越来越成熟，DSP芯片的功能日益完善与强大，以其精度高、处理速度快、性价比高等优势，被越来越多的领域所使用，为超声波流量计的发展提供了有利条件，而高精度测时芯片的出现，为时差法超声波流量计的计时精度提供了保证。并结合一些数字信号处理技术来对信号进行处理分析等，来改善超声波流量计的测量精度。

五、展望

由超声波体流量计的测量原理可知：影响超声波流量计测量精度的因素多，依然有待于研究，流速分布系数的修正是提高测量精度的主要因素；超声波流量计的声道分布方式，决定了对流速分布系数修正的效果，其正交积分方式也同样决定适合测量什么样的流场分布的流体流量；免在线标定系数的测量方法研究，可解决工程应用上的在线标定流量计，也可解决在线仪器检修的功能；多声道超声波信号的发射和接收处理性能的进一步提高是保证仪器测量稳定性的关键；压缩性介质受压力和温度变化影响极大，声速本身受温度变化也较大，因此多声道超声波流量测量数据的温、压补偿和数据融合处理，是流量测量值修正的不可缺少的环节。

参考文献：

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[4]《计量测试技术手册》编辑委员会.计量测试技术手册第6卷.中国计量出版社.1996

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