[導讀] 系統闡述超聲波流量計的分類方法，并從儀表性能、被測介質特性等方面總結了選用超聲波流量計的原則，對超聲波流量計如何選型提出了具體建議和可以借鑒的經驗和方法。
1 概述
超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統三部分組成，是一種利用超聲波脈沖來測量流體流量的速度式流量儀表。超聲波發射換能器將電能轉換為超聲波能量，并將其發射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經電子線路放大并轉換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進行顯示和積算，這樣就實現了流量的檢測和顯示。
2 分類
2.1 按照測量原理不同分類
目前常采用兩種類型的超聲波流量計，一種為多普勒超聲波流量計，另一種為時差式超聲波流量計。多普勒型是利用相位差法測量流速，即某一已知頻率的聲波在流體中運動，由于液體本身有一運動速度，導致超聲波在接收器與發射器之間的頻率或相位發生相對變化，通過測量這一相對變化就可獲得液體速度；時差型是利用時間差法測量流速，即某一速度的聲波由于流體流動而使得其在接收器與發射器之間傳播時間發生變化，通過測量此時間變化就可獲得流體流速。
2.1.1 多譜勒式超聲波流量計
多普勒式超聲波流量計測量原理圖如圖1所示。如圖1，換能器1發射頻率為f1的超聲波信號，經過管道內液體中的懸浮顆粒或氣泡后，頻率發生偏移，以f2的頻率反射到換能器2，f2與f1之差即為多譜勒頻差fd。設流體流速為v，超聲波聲速為c，多譜勒頻移fd正比于流體流速v，則
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當管道條件、換能器安裝位置、發射頻率、聲速確定以后，c、f1、θ即為常數，流體流速和多譜勒頻移成正比，通過測量頻移就可得到流體流速，進而求得流體流量。
2.1.2 時差式超聲波流量計
時差式超聲波流量計是利用聲波在流體中順流傳播和逆流傳播的時間差與流體流速成正比這一原理來測量流體流量的。如圖2，換能器1向換能器2發射超聲波信號，這是順流方向，其傳播時間為：
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反之，逆流方向的傳播時間為：
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時間差為：
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由于c>>v，故
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所以，流體流速
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其中c、L、θ均為常數，測得時間差△t即可求出流體流速v進而求得流體流量。
2.2 按照使用方式不同分類
根據超聲波流量計使用方式、使用場合的不同，可分為固定式超聲波流量計和便攜式超聲波流量計。它們的主要區別如下：
2.2.1 適用場合不同
固定式超聲波流量計用于安裝在某一固定位置，對某一特定管道內流體的流量進行長期不間斷的計量；便攜式超聲波流量計具有很大的機動性，主要用于對不同管道的流體流量作臨時測量。
2.2.2 供電方式不同
固定式超聲波流量計要求長期連續運行，所以要使用220V交流電源，便攜式超聲波流量計既可以使用現場的交流電源，也備有內置充電電池，可以連續工作5～10小時，方便了不同場合臨時流量測量的需要。
2.2.3 部分功能不同
固定式超聲波流量計，通常都有4-20mA信號輸出等功能，供遠傳顯示使用，但其內部只能存貯一條管道的參數；便攜式超聲波流量計只是為了現場查看當時流量和短時間內的累計流量，故一般無輸出信號功能，但為了方便測量不同管道流量，它具有豐富的貯存功能，可以同時存貯數十條不同管道的參數，供隨時調出使用。
2.2.4 換能器供電方式不同
可分為外貼式、插入式、管段式三種。a.外貼式：是生產最早，大家最熟悉、應用最廣泛的超聲波流量計，安裝換能器無需管道斷流，即貼即用，它充分體現了超聲波流量計安裝簡單、使用方便的特點。b.管段式：某些管道因材質疏、導聲不良，或者銹蝕嚴重，襯里和管道內空間有間隙等原因，導致超聲波信號衰減嚴重，用外貼式無法正常測量，便產生了管段式超聲波流量計。它把換能器和測量管組成一體，解決了外貼式流量計在測量中的一個難題，而且測量精度也更高，但同時也犧牲了外貼式超聲波流量計不斷流安裝這一優點，要求切開管道安裝換能器。c.插入式：插入式超聲波流量計介于上述二者中間。在安裝上可以不斷流，利用專門工具在管道上打孔，把換能器插入管道內，完成安裝。由于換能器在管道內，其信號的發射、接收只經過被測介質，而不經過管壁和襯里，所以其測量不受管質和管襯材料限制。
3 超聲波流量計的特點
眾所周知，目前的工業流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，如造價提高、能損加大、安裝不便等，而超聲波流量計均可避免。因為超聲波流量計是管外安裝、非接觸測量，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關，所以被認為是較好的大管徑流量測量儀表。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流。
另外，流量測量準確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數的影響，故可解決其它類型儀表所難以測量的強腐蝕性、非導電性、放射性及易燃易爆介質的流量測量問題。此外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應能力也是其它儀表不可比擬的，不同聲道的標準型、高溫型、防爆型、濕式型等流量計可以適應不同介質、不同場合和不同管道條件的流量測量。超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能器及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數據不全。目前我國只能測量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復雜。這是因為，一般工業計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m/s，被測流體流速（流量）變化帶給聲速的變化量最大也是10-3數量級。若要求測量流速的準確度為1％，則對聲速的測量準確度需為10-5～10-6數量級，因此必須有完善的測量線路才能實現，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術迅速發展的前題下才能得到實際應用的原因。
4 常見各類超聲波流量計的應用特征
4.1 多譜勒式超聲波流量計
只能用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆粒或氣泡的流體，如工廠排放液、未處理的污水、雜質含量穩定的工廠過程液等。要注意它對被測介質要求比較苛刻，不能是潔凈水，雜質含量要相對穩定，才可以正常測量。選擇此類超聲波流量計即要對被測介質心中有數，也要對所選用的超聲波流量計的性能、精度和對被測介質的要求有深入的了解。
4.2 便攜式超聲波流量計
用于臨時性測量，主要用于校對管道上已安裝的其它流量儀表，進行一個區域內的流體平衡測試，檢查管道的當時流量情況等。其優點是方便、經濟。
4.3 時差式超聲波流量計
目前生產最多、應用范圍最廣泛的超聲波流量計。它主要用來測量潔凈的流體流量，在自來水公司和工業用水領域，得到廣泛應用。此外它也可以測量雜質含量不高（含量小于10g/L，粒徑小于1mm）的均勻流體，如污水的測量，而且精度可達±1.5%。實際應用表明，選用時差式超聲波流量計，對流體的測量都能達到滿意的效果。
4.4 管段式超聲波流量計
精度最高，可達到±0.5%，而且不受管道材質、襯里的限制，適用于流量測量精度要求高的場合。但隨著管徑的增大，成本也會增加，通常情況下，選用中小口徑的管段式超聲波流量計較為經濟。
4.5 固定式超聲波流量計
如果有足夠的安裝空間，使用插入式換能器代替外貼式換能器，徹底消除了管襯、結垢及管壁對超聲波信號衰減的影響，測量穩定性更高，也大大減小了維護工作量。而且，由于插入式換能器也可以不斷流安裝，所以其應用正在不斷推廣。
結束語
超聲波流量計種類多、應用廣，在流量測量方面發揮著越來越重要的作用，而且其技術更新很快，不斷有新型的超聲波流量計推出。正確的選型是超聲波流量計能夠正常工作的基礎。所以把握好超聲波流量計的種類、性能，更好的了解它，就能更好的選擇它、應用它。