近年来，随着工业及电子技术的发展，超声波实用技术得到了迅猛的发展，超声波流量计即是非常成功的一例。如今，超声波流量计已经被广泛应用于各种流体的测 量，在测量工作中起着非常重要的作用。本文就传播速度差法超声波流量计原理及其在测量中应注意的实际问题作一介绍。

1 3个基本假定

传播速度差法超声波流量计测量的流速只是管路某一个直径方向上的平均流速，该测量值是线平均，不是一般要求的面平均。因此，该测量值与实际流量值之间存在 一定的误差，但一般地说，如果流速分布的变化不大，测量精度的影响大约在1%以下。基于此，在根据几何声学原理推导超声波流量计基本方程时，应遵循3个基 本假定：

（1）管道内流体质点各点流速沿横截面均匀分布，并认为等于平均流速；
（2）不考虑超声波射线在流动媒质中传播时的曲线轨迹和传播方向的改变；
（3）忽略声导折射面上的曲率，并认为管道内壁光滑。

2 流量计原理

超声波流量计是在管路的外侧壁上下游相向地安装一对能发射和接收超声波的探头，即超声波发生器和接收器，并使每个探头能接收另一个探头发出的波信号，如图1所示。

根据运动学原理，利用流体传播超声的特性，声波向上游传播时速度为：

C - Vcosθ；

时间为：t1 = D/（C - Vcosθ）；

声波向下游传播时速度为：C + Vcosθ；

时间为：t2 = D/（C + Vcosθ）；

传播的时间差值为：△T，即速度差：

△T = t1 - t2 = D/（C - Vcosθ）- D/（C + Vcosθ）

由于液体流速V在每秒数米以下，而流体中声速C约1500m/s，C2>>V2，

所以：

△T = 2VDcosθ/C2

即：

V = C2△T/（2Dcosθ） （1）

式中：C 为静止流体中的声速，m/s；
V 为流体速度；
D 为探头之间的距离，m；
θ为速度矢量和探头取向问所形成的角度。

从式（1）可以看出，从发生器发的超声波传到接收器的速度变化与管路内的流体流速成正比。据此把管道参数置入仪器，采集数据经变换器变换即得到瞬时流量，并得累计流量。

瞬时流量为：

Q = 450πDC2△Tsinθtanθ（m3/h）

3 安装方式

（1）直接透过法，又称Z法，主要适用于流体以管轴为对称轴沿管轴平行流动的情形，如图2所示。

（2）反射法，又称V法，主要适用于流体方向与管轴不平行，存在着沿半径方向流动的速度分量时的情形。设该速度分量为W，超声波射线传播方向与管轴成θ 角，于是在超声波的传播方向上便产生Wsinθ的分量：若按V法安装传感器，此分量便可以相互抵消，如图3所示。

（3）交叉法，又称X法，同V法，是V法的变形，如图4所示。

4 误差分析

主要误差：

（1）被测介质温度或浓度的变化引起声速的相应变化，这称为纯温度、纯浓度误差，是系统的固有误差，可以利用系数来修正。
（2）双通道参数的不对称，单通道时顺流和逆流测量时参数的不一致所引起的误差，称为附加温度误差，是随机误差。
（3）流速断面上实际流速分布与理想流速分布不一致而引起的测量误差，称为流速断面误差，可以利用系数来修正。
（4）声波在声道中多次反射引起对测量的干扰产生的误差。
（5）超声波在媒质中传播时的衰减、散射等对测量精度产生的影响。
（6）管道内气泡的影响。

5 超声波流量计的优点

（1）测量范同广，不受流体物理性质、化学性质的影响，可以对任何流体进行测量；
（2）测量方式多，非接触式，可对不易接触和观察的流体进行测量；
（3）安装方便，直接安装于管道上，不需设置专门的流量井和太大的安装空间；
（4）测量简便，指示读数与所测流体流量成线性函数，便于流量的直接读数、记录和累计；
（5）测量精度高；
（6）可以将转换器与标准工业控制计算机相连接，更方便地对流量计进行控制，对数据进行各种操作，如读取、存储、打印、分析等。

6 使用过程中的几点注意事项

（1）被测介质中颗粒不能太大颗粒太大，超声波的衰减将增大，测量精度就会下降；
（2）管路中不能产生气窝。在含有过多气泡的液体中，超声波不易透过，所以空气对超声波的衰减比较厉害，探头一般应安装在水流上流的管道上或水平管道的两 侧面，不宜安装在管道底部和顶部，顶部易于集聚气泡，而大的异物通常沿底部流动。
（3）探头前后设有一定的直管段。流量计受流速分布的影响很大，所以探头设置的场所应尽可能远离泵、阀门等流动紊乱的地方，其前后须***设有必要的直管段， 上流侧需要直管段10D（D为管道直径）以上，下流侧需要5D左右，探头距离水泵50D以上，距流量控制阀门30D以上。
（4）安装时探头应置于管道的侧面。因为气泡一般集聚在管道的上方，大的异物则沿管道的底部流动，他们都将造成超声波的衰减。
（5）探头安装的地方不能有腐蚀性气体，以避免探头腐蚀、损坏。
（6）转换器与流量计主机问的电缆不宜太长，一般应为500m以下，且远离电磁场，以免受到电磁场干扰。影响测量精度。