传播速度差法超声波流量计知识介绍

传播速度差法是目前超声流量计中应有较多的方法，主要有时差法和频差法。它们都是在直接时差法或相位差法基础上发展起来的。直接时差法的测量原理已如前述，而相位差法仅是把时间差转换为超声波传播的相位差来测量，因而其原理可看作与直接时差法相同，但利用这种原理进行测量，其比例常数均与声速有关，而声速随被测介质的温度和成分而变化，因而被测流体温度变化就会带来测量误差。后期发展的时差法却是利用声波在顺流方向和逆流方向上传播的速度之差来反映流体的流速，故又称速度差法。其原理可表述为：

令t₁、t₂分别表示声波顺、逆流方向传播时间，则

因此顺逆流情况下声波传播时间差Δt=t₂-t1，则上式可表为

由此可知，流速与成正比，比例系为常数，不受温度变化影响，只需将顺流传播时间t1及Δt代入，进行运算即可求得流速。

频差法超声流量计根据式（9-4）可知其比例常数不受温度变化的影响，所以这也是工业流量测量中大量采用频差法超声流量计的一个原因。

利用超声波对流体流量的测量，其困难主要在于：一般情况下测量的液体流速在每秒数米以下，而液体中的声速约1500m/s，流速带给声速的变化量至多不过是10^-3数量级，在工业计量中当测量流速要求精度达到1%时，对声速的测量精度要求为10^-5到10^-6，过去的计量技术要想长期保持这样的高精度是很困难的。因而，只是随着电子测量技术的进步，克服了上述的困难，才有了工业上实用的超声流量计。

一 速度差法的信号测量方法

传播速度差法超声流量计的种类比较多，转换器所采用的信息采集处理电路各不相同，有用数字电路直接测量顺、逆流方向接收信号波前沿时间差的LE流量计，采用PLL（锁相环路）或TLL（时间锁定环路）的时间差法仪表，也有采用一组转换或二组转换方式的频差法仪表，以及采用频差法与相位差法或与时间差法组合起来的二种组合方法的仪表。此外，各厂家所采用的原理方程式也有所不同。这里列举几种典型的测量方法。

1.采用锁相环路（PLL）的时间差法

随着集成电路技术的发展，锁相环路技术可以普遍地得到应用，使用此种技术的超声流量计如图9-7所示。测量回路用了两组锁相环路，管壁上使用了一组1.2MHz的压电跃变振荡器。测量回路的一个回路沿顺流方向，另一回路沿逆流方向发射超声波，把两个探测器的收发交替进行转换。测量相位差，是指测量VCO（电压控制振荡器）的振荡频率分频为N分之一的信号与接收信号之间的相位差（时间差）。这个接收信号是把分频信号和同期发射的信号接收下来的信号，超声波在液体中的传播时间比发射时间滞后。因为顺、逆两个回路都是锁相环路，因此，在锁定相位的场合，电压控制振荡器（VCO）（1）以N/t₁的频率进行振荡（其中t₁是超声波从P₁到P₂的传播时间），电压控制振荡器（VCO）（2）以N /t₂的频率振荡（其中t₂是超声波从P₂到P₁的传播时间）。因此，频率之差

将式（9-11）应用于式（9-9）即可得到流速。

2.TLL 方式的时间差法

TLL方式的超声流量计也是运用时间差法原理进行测量的，如图9-8所示。

图中的交替转换全部是同步进行，超声波收发器的接收发射交替转换，交替进行VCO的振荡频率的控制，与图9-7中所不同的是，这里消除了超声波经过探测器和管壁传播所需的固定时间t的影响，在由于气泡等的影响得不到接收信号的情况下由信号接收off检测部将其检出。因此，电压控制振蔼器（VCO）的本振频率将不受影响。该流量计的时间如图9-9所示。

由图9-9可知，因为交替转换的时间可以做任意程度的变化，因而可避免多重反射波的影响。另一方面，可通过调整衰减，在90%的响应时间内，响应可在1-100s内变换。

3.马克森（MAXSON）流量计

马克森流量计是典型的依据频差法原理工作的最早具有实用意义的超声流量计，与密度测量部件配合即可测量质量流量，如图9-10所示。图中，超声波发射换能器T1、接收器R1，放大器1和电信号发射机1构成顺流方向的声循环回路； T_2、R_2、放大器2和电信号发射机2构成逆流方向的声循环回路。以间歇振荡方式由10MHz石英振荡器中发射超声波脉冲，对面的10MHz石英振荡器接收该信号，该种测量方式为频差法的二组方式，如果令顺、逆两个

回路产生的声循环频率分别为f₁、f₂，则

这种流量计的测量精度优于2%，测量范围是最小流量的20倍；当雷诺数在3′10⁴到10⁶之间时，流速分布对线性的影响为±1%左右。

在当流速小时，两个回路的声循环频率相近，由于频率牵引现象，而使得流速测量不易进行。

4.一组转换方式的频差法

为了避免马克森流量计中小流速时两回路间的相互干扰，这里介绍一种仅用一个声循环回路按时交替转换的分时方式，即超声波的发射、接收和电信号的发射、放大回路仅只有一组，在一定周期内交替转换超声波的收发器的发射、接收过程，使超声波传播方向交替逆转，分别把对应的声循环频率用计数器计数，从而获得频率差。如图9-11所示，超声波收发器P₁装在管道的外壁上，使声波射束斜着经过液体中传播，在被测液体是水的场合，振荡器使用0.4MHz或1MHz的锆钛酸铅陶瓷（PZT），声楔采用射束入射角为40°的胶木材料。在声楔与管子的交界面上超声波射束发生折射，同时产生波形变换，在管材为钢铁等铁系材料时，发生从纵波到横波的变换，而对超声波而言横波在水中的透过率比纵波要高，且折射角也大，有利于测量。超声波收发器P₂设置在对面管壁的一个位置上，在该位置可以有效地接收从P₁发射的超声波。P₁和P₂均起着发射器和接收器的双重作用，它们的特性应尽可能的一致，收发转换器用来转换超声波的传播方向，一定时间间隔内使超声波按顺流方向发射，再经相同时间间隔沿逆流方向发射，其时间图如图9-12所示。

令顺、逆流的声循环频率f1为f2，则

式中，u是流速；θ是超声波的传播方向与流速方向的夹角；D是管道内径；t是固定延迟时间，包括超声波经声楔、管壁和衬材中传播时间和电信号滞后时间。

在式（9-13）中括号内虽然包含有声速c，但对于大口径管道，这一项很小，因而由于c的变化所引起的测量误差极小。

在大口径管道的情况下Δf值比较小，因此为提高精度，缩短测量时间，使用了倍频回路。然后，把倍频的脉冲数对应着顺逆方向进行加减运算，其残值就是与流速成正比的解。

5.组合方法

如图9-13所示的是一种中小口径（300mm以下）的流量计。它是把2MHz的PZT（锆钛酸铅陶瓷）安在声楔上的两个测量端安装在被测管道上，式9-12中的Δf是由顺逆两方向的声循环回路按照收发交替转换构成，由此可以得到各自的声循环频率之差，而由于在顺逆方向的声循环频率差值，两个发射信号时刻一致的回路必然不稳定。为此，若令顺流方向的回路（A回路）的声循环周期为T_A，逆流方向回路（B回路）的周期为T_B，时间图如图9-14，在A回路发射信号脉冲后，B回路延迟约T_A/2的时间再发射信号，T_B通常由延迟控制回路自动进行控制使之与T_A相等，而所需的延迟控制电压为

二 流量的测量方式

流量的测量需要考虑众多因素的影响，管内速度分布、测量方式的选择等对于各种不同的测量状况将起到重要的作用。

1.速度分布的影响

传播速度差法从原理上看是测量超声波传播途径上的平均流速，其测量所得到的值也只应是线平均值。这一线平均值是否能正确反映流通截面上的流速，对于测量的准确性是有影响的。确切地说，测量用的超声波能遍历整个流通截面的面平均值才能真正反映出流量，而线平均与面平均（亦称截面平均流速）的差异，正是取决于流速的分布情况。

对于流速小的层流情况，圆管内的流速分布属抛物面分布，其真平均流速是最大流速的二分之一，而由采用线平均方法的流量计测量的值一般是表示最大流速值的三分之二。因此，用超声流量计测出的流量是真正的流量的三分之四倍，这个关系在流体层流流动的范围内，即雷诺数Re约2320以下的场合可以保持一定，即可经过简单的修正而获得准确的结果。

可是在流速大的湍流情况下，与流动截面有关的流速分布因雷诺数Re变化而异。随着Re的增大，流速分布近似于均匀分布。因此，当用超声波流量计测量包含有中心的途径上的平均流速值U时，将它与截面平均流速之比称为流量修正系数k，k的值可以作为雷诺数Re的函数表示出来。在流速分布按对数规律分布时，可用下式表示

但由于上式利用了尼库拉兹的摩擦系数，在Re为10⁵以下的范围内需要利用布拉修斯摩擦系数加以修正，或者也可以用简单的可实验式k=1.119-O.011lgRe来表示。如果流速变化10倍，即Re变化10倍，其对数为1，则k的变化仅为1%。以上计算结果如图9-15所示。

流动若在层流与湍流之间，即过渡状态的情况下，流动是不稳定的。而实际上对于特大口径的管道而言，那种范围内的流速只是极小的问题，而流动在管中心轴上的不对称所造成的误差才是重要的。

2.声道布置方式

一般而言，在流体是以管中心线为对称轴沿管中心线平行地流动时，采用如图9-16所示的直接透过法（简称Z法）测量，可以得到好的精度。当流动的方向与管中心线不平行或存在着沿半径方向流动的速度成分W时，在超声波的传播方向会产生Wsinθ的速度成分，这亦成了测量中产生误差的原因。可是，采用反射法（V法）可以避免这一原因引起的误差，这是因为当W在P₁至P₂间取定值时，由于超声波的传播途径P₁R至RP₂中，速度成分Wsinθ可以抵消。而在某些场合中，探测回路的问隔受到限制，则V法可以用其变形的方法，如图中的交叉法（X法）来代替。上述各种方法均是通过射线行程中的信息反映流量，线平均流速与流通截面上平均流速之间的系数是雷诺数Re的函数，要提高测量精度必须要作修正。此外，迎流流速分布和旋涡对流量测量值影响也较大，因此要求有较长上游直管段长度。为了克服上述缺点，人们采用多声道化和声束多反射化的方法。

如图9-16中所示的2V法，是在垂直相交的二轴上测量流速，取平均值，随着测量线数目的增加，测量精度也能提高，一般认为有四条测量线路就够了。图中所示的平行法亦是配置多测量线的方式，但由于采用该方式时，声波穿过外壁是很困难的，使得安装换能器的构造较复杂，而且小口径管道情况下也不能得到足够的时间差。

目前，采用多声道化和声速多反射化方法进行超声流量测量的较先进的几种方式，如图9-17所示。这些方式已成功地在各自的厂家产品中得到了应用，而且其性能和应用范围也正在不断地得到提高和扩大。

图9-17a采用了声速螺旋状多折射路径的方法，以螺旋状路径（发射换能器-1-2-3-4-5接收换能器）扫描测量管道内流通空间，这样可以减少流速分布畸变影响，提高流量测量精度。其流量测量范围可以从层流开始，已达到的可测液体的最大流速为10m/s，西门子公司生产的产品己做到了在测量范围度为25：1时，误差≤±0.5%R，范围度为100：1时则误差≤±1% R。

另一种平行面测量方式超声流量计如图9-17b所示。这是早期的声速传播方向和流体流动方向一致的U型平行面测量方式。它应用于液体小流量测量，具有如下优点：1）不像传统斜声速传播那样，声波折射角受温度所引起液体中声速变化而改变声波传播距离；2）测量流通截面积全部流速，流速分布畸变影响小，可较精确地测得面平均流速。但这种结构要改动管道流向，管道布置复杂。

采用双声道V法散射声速途径的测量方法如图9-17c所示，其特点是换能器T₁、T₃发射声束散射至对壁反射面，再反射聚积到接收换能器T₂、T₄。这样，从传统的声波线传播发展到面传播，增加了声速的扫描空间。现已有德国Elstest Mandel公司生产的适用于天然气、城市煤气和压缩空气的产品，测量误差≤±2%R。

而图9-17d所示的S字型平行面测量方式可简化管道布置。国外己投放市场的仪表口径为6-50mm，流速超过0.5m/s时的测量误差≤±0.5%R。

三 仪表的安装与调校

传播速度差法超声流量计是目前极具竞争力的流量测量手段之一，其测量精度己优于±1.0%，有的多声道超声流量计的精度己高达±0.5%R。但由于早期的超声流量计自身一般不带标准管道而工业上所用管路又十分复杂，使得超声流量计的测量精度大打折扣；另外，由于工业现场特别是管路周围环境的多样性和复杂性，大大降低了超声流量计的可靠性和稳定性。因此，如何根据特定的环境安装调试超声流量计，就成了超声流量测量领域的一个重要课题。符合规范的正确安装，可以更好地体现超声流量计的精度、可靠性和稳定性方面的优势，大大降低仪表的日常维护工作。

以前盛行的外夹装式超声流量计使用方便灵活，然而现场应用的实际测量精度，常因工作疏忽，换能器安装距离及流通面积等测量的误差而造成精度下降。不正确的安装甚至会使得仪表完全不能工作。因此，安装换能器对于测量是非常重要环节。近年来国外竞相开发出经实流核准的高精度带测量管段的中小口径超声流量计，且用双声道或多声道以改善单声道测量平均流速的不确定影响量，降低了迎流流速分布影响的敏感度，减少了前后置直管段长度的影响，消除了现场安装换能器位置的影响，使测量精度大大提高。

一般，超声流量计的安装应从以下几个方面来考虑：1）详细了解现场情况； 2）确定安装方式； 3）选择安装管段； 4）计算安装距离，确定探头位置； 5）管道表面处理； 6）探头安装及接线； 7）用示波器观察接收波形，微调并固定探头。

1.换能器的安装

对于管外换能器的安装，要特别注意以下几点。

（1）正确选择安装地点

由于采用管外安装换能器的超声流量计是通过声波传播途径上流体平均流速来进行测量的，所以应保证换能器前的流体是沿管轴平行流动。因此，安装地点的选择必须保证换能器前有一定长度的直管段，所需直管段长度与流道上阻力件型式有关，可参考节流装置对直管段的要求。一般，当管道内径为D时上游直管段长度应大于10D，下游大于5D。当上游有泵、阀门等阻力件时，直管段长度至少应有（30 -50）D，有时甚至要求更高，如距泵房要求70-100m。当采用双声道或多声道测量时，表前直管段可以有明显缩短。

不同形式阻流件应配置的直管段长度列于表9-1所示。

此外，还应注意换能器安装地点应避免强电磁场和管道的振动等因素的影响；详细了解安装现场周围是否有微波发射台，大功率电台或是否靠近繁忙的公路；安装地点是否能保证流体充满管道等情况。

（2）正确选择安装方式当流体平行于管轴流动时，通常可用图9-16中的透过法（z法）安装能获得较好的精度。但当流体流动方向与管轴不平行，存在半径方向的速度成分时，应采用图9-16中反射法（V法）或交叉法（X法）安装，亦可采用2V法安装，对于地点上管道的长度有限，不足以采用V法时，则应选用X法实施安装，此时，接收换能器与发射换能器之间的距离较小。对于己配置好的流体管道，特别是测量大口径管道流量时，由于上游流动状态的干扰而易于造成测量误差的场合，比较合适的措施是增加测量线，即增加超声波的传播路径，更多地接收传播路径中的流速信息，进行平均，以抵销流体扰动造成的测量误差。增加测量线时，换能器的安装应使超声波传播途径均匀地置于流通截面上。一般认为有四条测量线（即四对换能器）就足够了。

（3）确定安装距离换能器的安装应根据具体的测量方式依据说明书上的步骤进行，各种测量方式下的安装步骤略有不同，但其原理相似。下面以普遍应用的透过法（Z法）的换能器安装为例，说明一对换能器的安装距离的确定方法。

一对换能器的安装有个基本原则：就是发射换能器与接收换能器应在管道的半圆平分线上（对于V法，则在同一半圆基线上），并根据实际的管道内径，壁厚及被测流体的性质，参数等核算，确定两换能器之间的轴间距离h，保证安装时h值的准确。

首先在管道外壁找出相应的两条半圆基线。对垂直管道通用铅垂线定好第一条半圆基线，对水平管道需借助于水平仪找出第一条半圆基线，然后用厚约O.5mm，长度稍长于轴间距离h（由说明书上查得或相应公式计算得到）的尼龙薄膜，以第一条基线为准，紧包管壁并裁下，膜的另一边长为πD，（D为管外径），并对折裁开，再以第一条基线为准紧包半个管壁，即可找出第二条半圆基线，此时管道的半圆平分线已确定，可画针在管外壁标明。发射接收换能器取正确的配合方向，借助于耦合剂（通常为硅脂黄油耐温黄油或水玻璃等），分别固定在两条基线上，它们用随带的管箍固定，以免测量中移位。而换能器之间的轴向距离h，在采用透过法（或交叉法）时，可用下式核算

式中，δ是管壁厚；D是管内径，（mm）；θ₂是声波进入管壁中角度；θ₃是声波进入流体中角度。θ₂、θ₃均为由超声波经声楔射到管外壁时的角度θ₁依据折射定理计算得到，θ₁可从制造厂的说明书中查到。

一般，目前的超声流量计显示仪表都有计算安装距离的功能，只要将管道材料，管径，壁厚等管道参数，流量计就能计算出安装距离h，然后用上述的定位纸法确定安装位置。

上述距离法只能用于管道条件较好的场合。当管道条件不好时，如由于使用时间太长，结垢严重，又不知结垢的实际厚度，这时就很难确定安装距离h。对于这种情况，可采用渡越时间法安装换能器。

首先将显示仪表的灵敏度旋钮旋到中间位置，然后按要求将一只换能器固定在管道的一侧，将另一只换能器涂上黄油在管道的另一侧沿上、下、左、右方向移动，观察显示仪表的循环显示灯或数字，当循环显示灯亮了或有数字显示，则微动换能器，观察渡越时间，当渡越时间接近所给定的数值时，停止移动换能器，此时若渡越时间的前四位数稳定时，说明换能器已安装好。将换能器固定好，仪表就可正常工作了。

2.显示仪表的安装

(1)显示仪表的安装地点

显示仪表的安装地点应选择振动冲击很小的位置；注意避免电磁场的影响，仪表电源应避免引起电压波动；使用环境温度亦应在说明书中的范围之内；除特殊密封仪表外，应安装在无腐蚀性的环境中。

(2)连线长度

仪表与换能器之间的连线应用屏蔽线，连线长度按说明书要求，一般不超过500m，但在发电厂，由于干扰较大，连线长度一般不超过100mo

3.调整和校验

超声流量计的校验和调整包括：对流量显示的二次仪表的电子线路进行调校，对换能器的正确安装进行调校。对换能器的安装进行调校是使得发射换能器的声波信号经流体中的传播以后能正常地被接收换能器所接收。而对于带测量管段的超声流量计，由于发射换能器与接收换能器的相对位置固定，因此其调校均相对较为简便，主要针对二次仪表的电子线路进行。

超声流量计的调校因仪表的测量电路不同而异，具体的调校步骤应严格按照产品说明书的要求进行，但一般涉及到以下几个方面。

1)零点调整当实际的流速为零时，仪表的流量也应调整为零。通常，零点调整是由自动调零功能完成的。但对于高精度的测量，可以停止自动调零功能，在仪表上设置零点偏差，以后的测量，仪表将自动输出扣除零点偏差后的数值。

2)阻尼设定

适当的阻尼设定可用来精确地观察测量值的变化过程，或用来获得测量值的平均值。通常，当自动零点功能起作用时，所获得的响应时间大约是阻尼设定时间的10倍，为了观察测量值的真实变化，或为了以适当阻尼观察测量值时，应设定适合的阻尼时间。

3)工作参数(量)的设定

工作参数(量)的设定包括模拟输出范围(4-20mA)的设定；显示单位的设定；流量(或流速)范围的设定等。

4）在不正常测量情况下的输出设定

当管内无流体或流体中有气泡等不正常情况时，可设定：保持测量值不变；高限度输出；低限度输出；零输出等。同时，累积脉冲输出时，输出截止，内部累积也截止。

5)空探测点的设定

可设定当管道内无流体(空管)时输出一个报警信号。

6)连续通讯的设定

可设定RS-232C的通讯波特率、奇偶性和停止位。

7)低流量切除

流量低到一定值时，可设置一切断点切断流量显示。切断点一般可设定在0-0.999m/s之间。当阀门关闭时，由于管内流体有对流现象，这时就有流量显示，所以有必要设置低流量切断功能。某些仪表的切断点初始值设置为O.O1m/s，可人为改变设置。

8)其它如测量值的校准；累积输出单位的设定；时间的设定以及状态输出的设定等都是仪表调整中的内容，应根据说明书的要求进行设定。

4.超声流量计的使用

超声流量计是一种工作性能与现场安装使用有极大关系的流量仪表。要创造必要的现场工作条件，并对仪表进行正确的安装调试，才能保障仪表的正常工作和准确计量。所以，在超声流量计的使用中，应注意以下两个方面的问题。

(1)创造仪表正常工作所需要的现场条件

仪表正常工作所需要的现场条件包括以下一些内容。

1)足够长的表前直管段长度(见表9-1)。

2)管道几何尺寸精确，管内结垢不能太厚。由流量与管径的关系可知，管径每存在1%的误差，就会产生约3%的流量测量误差。因此，使用超声流量计时，必须将管道内径和壁厚测量精确。管道结垢，不但造成管径误差，还会使声波发生散射，降低超声流量计的测量精度。结垢过厚时，仪表甚至不能工作。表9-2为管道结垢对流量测量的影响计算表。对于早期建设的老水厂，有的管道结垢已非常严重，精确的管径难以测量，有些管道甚至超声波信号难以通过，不适合用超声流量计来测量。对于这样的使用条件，安装超声流量计换能器的那段管道最好换成新的不锈钢管道。

3)在仪表上游的管道上设置排气阀。输水管道中有空气是普遍存在的问题，源水管道中气体含量更大。管道中的气体占据管道有效截面积，使流量测量产生误差。如果管道中气体过多，会使超声波发生散射而使仪表不能工作。因此，在仪表上游安装排气阀是必要的。排气阀的位置应安装在仪表上游300以上处，每隔一定时间就应排气一次。某水厂在DN600和DN900两管道做试验发现，在没有安装排气阀时，流量计约多计水量9%-10%。

(2)仪表的正确安装调试

仪表的正确安装调试对超声流量计的正常工作非常重要，应根据前面介绍过的方法，仔细安装换能器和显示仪表。距离法和渡越时间法的选择，主要取决于管道条件。如果管道比较标准，尺寸精确，内外表面平整，可采用距离法；当管道条件不好时，可采用渡越时间法。