超聲波流量計(jì)走進(jìn)人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)中的歷史大概始于20世紀(jì)的90年代，不過(guò)人類(lèi)真正的掌控超聲波的產(chǎn)生技術(shù)還要追溯到19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，因?yàn)槲锢韺W(xué)上取得了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)的發(fā)明突破之后以，解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，這對(duì)于超聲波未來(lái)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，自此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章，目前超聲波技術(shù)已被**運(yùn)用于工程學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域，人類(lèi)的生產(chǎn)與生活已經(jīng)與超聲波技術(shù)密切相關(guān)。 

人們能聽(tīng)到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過(guò)20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ?！〕暡ㄊ且环N在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱和振蕩（縱波）。工業(yè)生產(chǎn)中的超聲波類(lèi)型主要是縱向振蕩。 

超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。人科利用超聲波的這種特性，做成了各種超聲傳感器，通過(guò)搭配各不相同的測(cè)量電路和計(jì)算單元，便可以制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置。 

氣體超聲流量計(jì)的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代，由于它的一些突出優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量準(zhǔn)確度高、量程比寬、無(wú)壓 損、無(wú)可動(dòng)部件、安裝使用費(fèi)低等，受到用戶的歡迎。它是繼孔板流量計(jì)，渦輪流量計(jì)之后第三類(lèi)適用于高壓、大口徑、高準(zhǔn)確度的天然氣流量計(jì)。由于技術(shù)條件的 限制，以前人們研究的主要是超聲波液體流量計(jì)。隨著科學(xué)技術(shù)特別是電子技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，超聲波氣體流量計(jì)才日益受到人們的重視，并開(kāi)始逐步走向?qū)?用化、**化。大部分由測(cè)量短管和插入管壁換能器組成一體的形式出現(xiàn)，由于測(cè)量準(zhǔn)確度較低(1.5%F.S~2.O%F.S)，過(guò)去未能在價(jià)格昂貴的天然 氣貿(mào)易結(jié)算計(jì)量領(lǐng)域大量運(yùn)用?，F(xiàn)在它在天然氣工業(yè)中的成功應(yīng)用己有突破性進(jìn)展。 

由于準(zhǔn)確度高和維修費(fèi)用低，多聲道氣體超聲波流量計(jì)己被氣體工業(yè)界接受，它 是自氣體渦輪流量計(jì)后被氣體工業(yè)界接受的重要的氣體流量計(jì)量器具。至今已有較多國(guó)家的政府機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)氣體超聲波流量計(jì)為法定計(jì)量器具。根據(jù)檢測(cè)的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法等不同類(lèi)型的超聲波流量計(jì)。超聲波流量計(jì)適于不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量測(cè)量。 

自20世紀(jì)90年代，氣體超聲波流量計(jì) 像一顆耀眼的新星驟然升起，出現(xiàn)多種型號(hào)準(zhǔn)確度較高的氣體超聲波流量計(jì)，現(xiàn)已有多種測(cè)量技術(shù)，其主要產(chǎn)品有：時(shí)差式超聲波流量計(jì)、頻差式超聲波流量計(jì)、插入式超聲波流量計(jì)等。

一、時(shí)差式超聲波流量計(jì)的基本工作原理與流量方程及組成部分

(一)工作原理與流量方程

超聲波流量計(jì)的基本原理是超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，載上流體流速的信息，因此，通過(guò)對(duì)接收到的超 聲波進(jìn)行測(cè)量，就可以檢測(cè)出流體的流速，從而換算成流量。超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、信號(hào)處理電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)三部分組成。在有氣體流動(dòng)的管道中， 超聲脈沖順流傳播的速度要比逆流時(shí)快；流過(guò)管道的氣體的速度越快，超聲順流和逆流傳播的時(shí)間差越大。分為時(shí)差式(測(cè)量順流和逆流傳播的時(shí)間差)、相差式 (測(cè)量順流和逆流傳播的相位差)、頻差式(測(cè)量順流和逆流傳播的循環(huán)頻率差)、多普勒超聲波流量計(jì)(以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為工作原理，適合于對(duì)兩相流的 測(cè)量)。
       流量計(jì)以測(cè)量聲波在流動(dòng)介質(zhì)中傳播的時(shí)間與流量的關(guān)系為原理。通常認(rèn)為聲波在流體中的實(shí)際傳播速度是由介質(zhì)靜止?fàn)顟B(tài)下聲波的傳播速度和流體軸向平均流速( Vm)在聲波傳播方向上的分量組成。按圖2-53所示，順流和逆流傳播時(shí)間與各量之間的關(guān)系是

式中：
tup——超聲波在流體中逆流傳播的時(shí)間；
t_down——超聲波在流體中順流傳播的時(shí)間；
L——聲道長(zhǎng)度；
C_f——聲波在流體中傳播的速度；
Vm——流體的軸向平均流速；
Φ——聲道角。

可利用上式的兩個(gè)公式得出流體流速的表達(dá)式

也可以用相似的方法獲得聲波的傳播速度

將測(cè)得的多個(gè)聲道的流體流速利用數(shù)學(xué)的函數(shù)關(guān)系聯(lián)合起來(lái)，可得到管道平均流速的估計(jì)值 ，乘以過(guò)流面積A，即可得到體積流量qv，如下式

其中：

式中：

i——聲道數(shù)量。

注：即使是給出了路徑的數(shù)目，但F（v1，…， vi，)的精確形式也會(huì)因聲道排列情況以及數(shù)值計(jì)算方法的不同而不同。

(二)結(jié)構(gòu)形式

1.構(gòu)成

流量計(jì)主要由流量計(jì)表體、超聲波換能器及其安裝部件和信號(hào)處理單元組成。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)插入式和外夾式流量計(jì)，安裝換能器處的管道可做表體使用。插入式流量計(jì)的換能器直接與被測(cè)流體接觸，外夾式流量計(jì)的換能器緊密安裝在管道壁外。

2.形式

流量計(jì)按換能器安裝方式可分為插入式和外夾式兩種形式。

插入式流量計(jì)根據(jù)換能器的數(shù)量不同，分為單聲道流量計(jì)，雙聲道流量計(jì)和多聲道流量計(jì)。

流量計(jì)的輸出方式有脈沖輸出、模擬量輸出和數(shù)字通訊輸出等。

超聲波流量計(jì)由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)蘭部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換 為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測(cè)流體中，接收器接收到的超聲波信號(hào)，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號(hào)供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算，這樣就實(shí) 現(xiàn)了流量的檢測(cè)和顯示。

超聲波流量計(jì)常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適當(dāng)?shù)陌l(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的 壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測(cè)。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆 壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。超聲波流量計(jì)換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動(dòng)。薄片直徑超過(guò)厚度的10倍，以保證振動(dòng)的方向性。壓 電元件材料多采用錯(cuò)鐵酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件固定入聲道中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。

超聲波流量計(jì)的電子線路包括發(fā)射、接收、信號(hào)處理和顯示電路。測(cè)得的瞬時(shí)流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。

根據(jù)對(duì)信號(hào)檢測(cè)的原理，目前超聲波流量計(jì)大致可分傳播速度差法(包括：直接時(shí)差法、時(shí)差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類(lèi)型。其中以噪聲法原理及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于測(cè)量和攜帶，價(jià)格便宜但準(zhǔn)確度較低，適于在流量測(cè)

量準(zhǔn)確度要求不高的場(chǎng)合使用。由于直接時(shí)差法、時(shí)差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過(guò)測(cè)量超聲 波脈沖順流和逆流傳播時(shí)速度之差來(lái)反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時(shí)差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來(lái)的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以 被**采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差法又分為：Z法(透過(guò)法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳 播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來(lái)反映流體流速的，低流速時(shí)，靈敏度很低適用性不大。多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過(guò)測(cè)量不均勻流體中散射體散射的超 聲波多普勒頻移來(lái)確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測(cè)量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測(cè)量流量，原理上，此法的測(cè)量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無(wú)關(guān)， 因而與流體溫度、濃度等無(wú)關(guān)，因而測(cè)量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器件價(jià)格貴，線路比較復(fù)雜。噪聲法(聽(tīng)音法)是利用管道內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的噪聲與流體 的流速有關(guān)的原理，通過(guò)檢測(cè)噪聲表示流速或流量值。其方法簡(jiǎn)單，設(shè)備價(jià)格便宜，但準(zhǔn)確度低。

以上幾種方法各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)被測(cè)流體性質(zhì)。流速分布情況、管路安裝地點(diǎn)以及對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的要求等因 素進(jìn)行選擇。一般說(shuō)來(lái)由于工業(yè)生產(chǎn)中介質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時(shí)差法。只有在管徑很大時(shí)才采用直接時(shí)差法。對(duì)換能器安裝方法的選擇原則 一般是：當(dāng)流體沿管軸平行流動(dòng)時(shí)，選用Z法：當(dāng)流動(dòng)方向與管軸不平行或管路安裝地點(diǎn)使換能器安裝間隔受到限制時(shí)，采用V法或X法。當(dāng)流場(chǎng)分布不均勻而表前 直管段又較短時(shí)，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來(lái)克服流速擾動(dòng)帶來(lái)的流量測(cè)量誤差。多普勒法適于測(cè)量?jī)上嗔?，可避免常?guī)儀表由懸浮?；驓馀菰斐傻?堵塞、磨損、附著而不能運(yùn)行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開(kāi)展，煤油混合(COM)、煤水混合(CWM)燃料的輸送和應(yīng)用以及燃 料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量 計(jì)應(yīng)用開(kāi)辟?gòu)V闊前景。

(三)計(jì)量性能要求

表2-10為推薦的準(zhǔn)確度等級(jí)系列，如采用非表中所列準(zhǔn)確度等級(jí)，需在流量計(jì)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中及流量計(jì)銘 牌上明示。流量計(jì)在qt≤q≤qmax的流量范圍內(nèi)，其大允許誤差應(yīng)符合表10的規(guī)定，在qmin≤q≤qt的流量范圍內(nèi)，大允許誤差不超過(guò)表中規(guī)定 的大允許誤差的2倍。并且，對(duì)氣體流量計(jì)， qt對(duì)應(yīng)由流速應(yīng)不大于3m/s；對(duì)液體流量計(jì)， qt對(duì)應(yīng)的流速應(yīng)不大于0.3m/s。

(1)流量計(jì)系數(shù)調(diào)整

連續(xù)兩次檢定之間流量計(jì)系數(shù)的調(diào)整量應(yīng)不超過(guò)準(zhǔn)確度等級(jí)所對(duì)應(yīng)的大允許誤差的2倍。如超過(guò)，可降低該流量計(jì)的準(zhǔn)確度等級(jí)直至滿足要求，或按檢定不合格處理。

(2)重復(fù)性

流量計(jì)的重復(fù)性不得超過(guò)相應(yīng)準(zhǔn)確度等級(jí)規(guī)定的大允許誤差**的1/3。

(3)雙向測(cè)量的流量計(jì)兩個(gè)測(cè)量方向應(yīng)分別進(jìn)行檢定。

(4)外夾式流量計(jì)應(yīng)對(duì)每對(duì)探頭分別檢定，并盡量在與使用管徑相同的管徑下進(jìn)行檢定。如使用管徑與檢定管徑之比大于2或小于1/2，使用時(shí)流量計(jì)應(yīng)增加一個(gè)0.5%的附加誤差。

(四)用途

時(shí)間差法流量計(jì)用于單相液體或氣體的流量測(cè)量，多普勒流量計(jì)主要用于污水流量測(cè)量。

(五)多聲道超聲波聲速差法氣體流量計(jì)的原理

多聲道超聲波速差法氣體流量計(jì)采用聲速差法，通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量超聲波沿氣流順向及逆向傳播的聲速差，測(cè)量 各種口徑管道內(nèi)穩(wěn)態(tài)或脈動(dòng)氣流的雙向流速、流量。具有測(cè)量快速、對(duì)氣體無(wú)流阻、無(wú)壓力損失、量程寬、測(cè)量結(jié)果不受氣體聲速、成分、壓力、溫度變化的影響、 對(duì)大管徑及脈動(dòng)氣流也能進(jìn)行正確測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，解決了目前大口徑大流量氣體缺乏準(zhǔn)確、便捷計(jì)量手段的難題。

采用超聲檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)測(cè)量超聲波沿氣流順向和逆向傳播的聲速差、壓力和溫度，算出氣體流速及標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的流量。其原理如圖2-54所示。

圖中，假設(shè)管道內(nèi)徑為D，兩換能器間的超聲傳播距離為L(zhǎng)，超聲傳播方向與軸線之間的夾角為θ，則管道內(nèi)換算成標(biāo)準(zhǔn)工況下的氣體流量q可表示為：

式中：

t1、t2——分別為超聲波順向傳播聲時(shí)和逆向傳播聲時(shí)間；

τ1、τ2——分別為超聲順向傳播和逆向傳播時(shí)電路、電纜及換能器等產(chǎn)生的聲延時(shí)間；

P、T——分別為管道中實(shí)測(cè)的氣體壓方和溫度；

Po、To——分別為標(biāo)準(zhǔn)工況下氣體的壓力和溫度。

在實(shí)際應(yīng)用中，流量計(jì)采用了多聲道的方法來(lái)消除流速分布不均勻的影響。

流量計(jì)由于采用了"隨機(jī)多次測(cè)量時(shí)間間隔后平均"、"過(guò)零電平檢測(cè)"、"提高超聲發(fā)射接收能力"、"盡可能高的時(shí)標(biāo)頻率"及多聲道等技術(shù)措施，從而大大提高了儀器的測(cè)時(shí)及流量的準(zhǔn)確度。

(六)換能器信號(hào)傳播與接收

在超聲流量計(jì)中通常采用壓電陶瓷材料做為換能器，它具有高聲阻，而氣體的聲阻是低的，因此對(duì)于陶瓷換 能器向氣體輸送能量阻撓匹配是很困難的，至少工作過(guò)程是低效率的。接收信號(hào)的特性還與聲束傳播順流或逆流有關(guān)，各類(lèi)流量計(jì)解決此問(wèn)題采取不同的方案。傳統(tǒng) 的方法是應(yīng)用很低密度材料覆蓋于壓電陶瓷材料換能器的表面，以達(dá)到不同阻撓的匹配。此覆蓋層應(yīng)穩(wěn)定，應(yīng)用此技術(shù)除耦合外還可以改善結(jié)構(gòu)問(wèn)題。為了降低換能 器的振響，可附加一個(gè)吸收襯墊，通常此類(lèi)換能器的頻率范圍為140kHz到180kHz。聚氟乙烯(PVDF)膜具有低聲阻特性，它在伸張和支撐時(shí)有壓電 性質(zhì)，可以做為發(fā)射器，亦可做為接收器的可逆工作方式。其缺點(diǎn)是對(duì)溫度敏感，因此其電子線路的增益需要隨時(shí)改變以適應(yīng)它。換能器的一個(gè)工作難題是換能器需 面臨灰塵，在所有網(wǎng)狀系統(tǒng)中皆有一些灰塵，但在陳舊系統(tǒng)可能存在所謂塵暴。灰塵主要由氧化鐵和二氧化硅組成，當(dāng)速度分布變化或其他擾動(dòng)時(shí)氣流就積聚它，它 對(duì)換能器的機(jī)械磨損以及喪失線性特性等方面有很大關(guān)系。

對(duì)于流量計(jì)低流量時(shí)的準(zhǔn)確度，換能器的線性度很重要，非線性特性甚至在無(wú)流量時(shí)可能引起兩方向的計(jì)時(shí)差別，結(jié)果實(shí)際上無(wú)流量卻出現(xiàn)流量顯示，因此換能器需要良好的線性度。灰塵附著于線性換能器的表面，可能使換能器具有不同的振幅而產(chǎn)生非線性。

常用安裝方法：

(1)平行雙聲道Z法(即一側(cè)換能器斜方向發(fā)射聲波到對(duì)面一側(cè)換能器接收)

(2)雙聲V法反射，其特點(diǎn)是發(fā)射換能器發(fā)射聲束散射至對(duì)面一側(cè)換能器接收，布置于弦位置上。

(3)單聲道V法(即發(fā)射聲波經(jīng)對(duì)面管壁反射到同側(cè)另一換能器接收)傳播方式。

(4)四聲道組合傳播聲波，兩個(gè)聲道是V法反射布置，為流量測(cè)量的基本信號(hào)；另兩個(gè)聲道之一的聲束是按直徑途徑傳播，之二的聲束是按三角形反射途徑傳播，作為流速分布修正的輔助信號(hào)。

(七)精密計(jì)時(shí)技術(shù)

如果要滿足規(guī)范要求的低流量的不確定度，雙向信號(hào)的計(jì)時(shí)不確定度約為3ns（納秒）。由于應(yīng)用低功率 電源的限制，要達(dá)到它十分困難，甚至10MHz的計(jì)時(shí)時(shí)鐘允許的直接計(jì)時(shí)亦僅lOOns。在計(jì)數(shù)周期內(nèi)進(jìn)行大量的測(cè)量有其優(yōu)點(diǎn)。如果測(cè)量是真正隨機(jī)性的， 允許單次測(cè)量有大的不確定度，其平均值仍可達(dá)到低的不確定度。至今流量計(jì)開(kāi)發(fā)與達(dá)到要求的不確定度的平均值無(wú)關(guān)，這很可能是因?yàn)樵谛?zhǔn)和測(cè)試時(shí)必須在極短 周期內(nèi)顯示特性能力的原因所在。

1.脈沖重復(fù)性法

在此技術(shù)中應(yīng)用低頻時(shí)鐘，用多次傳送信號(hào)沿管道而下來(lái)增加測(cè)量時(shí)間。當(dāng)*先個(gè)脈沖傳送沿管道而下計(jì)時(shí) 器啟動(dòng)，到達(dá)時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，接著馬上另一個(gè)脈沖同方向往下送，如此一直到幾百個(gè)脈沖。當(dāng)目標(biāo)脈沖到達(dá)時(shí)計(jì)時(shí)器停止，這樣它測(cè)量的時(shí)間是一個(gè)脈沖傳送時(shí)間的幾 百倍。因此時(shí)鐘頻率可以降低幾百倍。

2.相位法

相位法是采用一個(gè)特制的發(fā)射24次正弦波的信號(hào)，它具有三分之二的直通反相。發(fā)射的信號(hào)是由 1.44MHz時(shí)鐘產(chǎn)生的，計(jì)數(shù)可低到180kHz，因此它會(huì)產(chǎn)生鎖相。一組數(shù)目為8只的電容器由時(shí)鐘開(kāi)關(guān)接收信號(hào)，在相開(kāi)關(guān)前16次周波時(shí)間內(nèi)對(duì)來(lái)波進(jìn) 行很好地平均。用一臺(tái)相位檢測(cè)器與此來(lái)波平均值進(jìn)行比較，實(shí)測(cè)到逆向并停止采樣。這樣測(cè)量確定的時(shí)間是一個(gè)時(shí)鐘脈沖，但它不太準(zhǔn)確。探察到電容器上存儲(chǔ)波 形的相位，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀出8個(gè)電容器上的每個(gè)電壓值。如果倒相停止，在接收信號(hào)相位開(kāi)始時(shí)準(zhǔn)確地收集數(shù)據(jù)，則接收信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)(和時(shí)鐘)將同相位，時(shí) 鐘脈沖的積分值相當(dāng)于被測(cè)的傳播時(shí)間。一般其間有一個(gè)相位差，它需用擬合程序曲線來(lái)確定?？梢哉J(rèn)為它能做到信號(hào)的一個(gè)周期的千分之一，即達(dá)到幾納秒的準(zhǔn)確 度。為了進(jìn)行"相位展開(kāi)"，用一種分開(kāi)的閾值和單脈沖換能器激勵(lì)的比較器直接測(cè)量傳播時(shí)間。

3.時(shí)鐘周期插入法

接收波形的一部分與時(shí)鐘速率同步進(jìn)行數(shù)字化，此數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。如果計(jì)時(shí)從零線起，則易于得到時(shí)鐘脈沖 的積分值，它是在零線前完成的。然后進(jìn)行插入法以得到零線上時(shí)鐘周期的份額?？赡苡靡环N高速電壓發(fā)射器進(jìn)行插入，發(fā)射器固定一個(gè)時(shí)鐘周期，這個(gè)電壓是在計(jì) 時(shí)瞬間采樣的。發(fā)射器的采樣電壓被大電壓除，它是所要求的時(shí)鐘周期的一部分。超聲在導(dǎo)管中傳播一般以一系列模式進(jìn)行，這些模式的準(zhǔn)確性質(zhì)與導(dǎo)管的幾何形 狀密切相關(guān)，如果它們的復(fù)雜性增加，則其傳播速度就要降低。平面波是簡(jiǎn)單模式，通常按此模式傳播。其他模式有截止的頻率，當(dāng)?shù)陀诖祟l率后在導(dǎo)管中不再傳 播。如果一種模式接近于截止頻率，則其速度趨于零。當(dāng)經(jīng)過(guò)導(dǎo)管傳播之后，接收到的波的形狀包含有許多模式的組合信號(hào)，它受到外延信號(hào)的影響。在管道中超聲 脈沖的傳播時(shí)間在沒(méi)有流量時(shí)兩個(gè)方向是相同的，有流體存在時(shí)，換能器產(chǎn)生的時(shí)間遲滯無(wú)論作為發(fā)射器或接收器必須是一樣的。

由于當(dāng)流量為零時(shí)兩個(gè)方向的傳播時(shí)間差必須很小，因此上下游傳播線路的時(shí)間延遲不能有差別，這點(diǎn)是很重要的，可接受的大的時(shí)間差為2ns。對(duì)于130kHz信號(hào)，當(dāng)采用零線計(jì)時(shí)時(shí)，其相位的穩(wěn)定性為0.1°， 這樣對(duì)于兩個(gè)分開(kāi)的放大器在很寬的溫度范圍內(nèi)工作要保持它是很?chē)?yán)峻的。好有盡量多的公用線路以免發(fā)生延遲時(shí)間差，它會(huì)使零流速時(shí)測(cè)量惡化。在零流量時(shí)傳 播時(shí)間測(cè)量可能相等，但是靜止仍產(chǎn)生誤差，因?yàn)殡娮泳€路遲滯和換能器引起的遲滯ΔT，產(chǎn)生的流速測(cè)量誤差為2ΔT/To，To為靜止氣體的傳播時(shí)間。如果 它保持恒定，這就不嚴(yán)重，但是To隨氣體種類(lèi)及溫度而變。當(dāng)ΔT為2μs時(shí)誤差約為1%，從空氣到熱氣體聲速將發(fā)生變化，它大概變化1/4，即變化測(cè)量值 25%。

消除換能器及其電子線路引起的遲滯的一種辦法是應(yīng)用多次反射，它僅采用時(shí)間差以抵消其遲滯。

(八)單片機(jī)控制系統(tǒng)

目前單片機(jī)的技術(shù)比較成熟，超聲波流量計(jì)主要采用低功耗的超大規(guī)模集成電路——名副其實(shí)的單片機(jī) (CPU、EPROM、RAM、I/O、A/D、D/A及計(jì)時(shí)器等都集成在一個(gè)芯片)，采用低功耗的液晶顯示。采用單片機(jī)技術(shù)后做成IC卡式智能儀表很易 于與銀行系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)先購(gòu)買(mǎi)后使用，解決拖欠賬問(wèn)題，便于管理，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信控制及宏觀調(diào)節(jié)。而且可以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更多功能，如防盜氣、用氣記錄檔 案、家庭醫(yī)生等。

二、超聲波流量計(jì)的性能特點(diǎn)

①無(wú)阻擋，無(wú)可動(dòng)部件，無(wú)壓損，無(wú)示值漂移現(xiàn)象，量程比較寬；

②不受氣體壓力、溫度或組分變化的影響；

③不受氣體中固體顆粒和液滴的影響；

④重復(fù)性好，準(zhǔn)確度高，線性好，可采用多次反射并將聲程加長(zhǎng)；

⑤單片機(jī)系統(tǒng)有自檢測(cè)與自診斷功能，易于實(shí)現(xiàn)通信；

⑥相對(duì)于管軸線是**軸對(duì)稱的，不受安裝方位、速度分布和渦流的影響。

三、超聲波流量計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域及前景

①天然氣工業(yè)的貿(mào)易輸送計(jì)量、氣體分配、調(diào)合、控制和檢漏等方面；

②地下儲(chǔ)氣庫(kù)(雙向計(jì)量)；

③過(guò)程工業(yè)中高價(jià)值氣體的計(jì)量和火電廠耗氣量等一般流量計(jì)量或檢測(cè)場(chǎng)合；

④作為常規(guī)貿(mào)易計(jì)量?jī)x表的標(biāo)準(zhǔn)表。

中國(guó)龐大的西氣東輸工程，建設(shè)成一條長(zhǎng)達(dá)四千多公里的西氣東輸管道，是中國(guó)西部大開(kāi)發(fā)標(biāo)志性項(xiàng)目。準(zhǔn) 確地進(jìn)行天然氣流量測(cè)量是企業(yè)部門(mén)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析、降低運(yùn)行成本的關(guān)鍵一環(huán)，直接地影響著一個(gè)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，倍受供需雙方關(guān)注。隨著世界能源供求日益緊 張，人們都十分關(guān)心并尋求一種準(zhǔn)確度高，適應(yīng)性強(qiáng)的流量計(jì)來(lái)測(cè)量天然氣流量，以維護(hù)企業(yè)的利益。超聲波流量計(jì)自投放市場(chǎng)以來(lái)，與目前其他類(lèi)型流量計(jì)相比， 顯然有著更高更好的性能特性，因而倍受人們青睞。近幾年，在北美及加拿大新建設(shè)幾條大型輸氣管道工程中，已開(kāi)始用超聲波流量計(jì)。作為貿(mào)易計(jì)量，應(yīng)用效果己 得到證實(shí)。近幾年來(lái)，我國(guó)先后從國(guó)內(nèi)引進(jìn)了超聲波流量計(jì)約幾十臺(tái)。我國(guó)流量界相當(dāng)關(guān)注這一新型流量?jī)x表。超聲波流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度可達(dá)到0.5%，具有準(zhǔn) 確度高、重復(fù)性好、量程比寬、抗干擾能力較強(qiáng)、維修量小、可測(cè)雙向流等特點(diǎn)。為保證計(jì)量系統(tǒng)準(zhǔn)確度，在現(xiàn)場(chǎng)使用前須經(jīng)實(shí)流測(cè)試校準(zhǔn)。

盡管超聲波流量計(jì)與目前使用**的孔板流量計(jì)相比，有著更多的優(yōu)點(diǎn)，主要反映在有雙向測(cè)量，大量程 比，無(wú)壓損，無(wú)可動(dòng)部件和高準(zhǔn)確度等。但由于孔板流量測(cè)量技術(shù)歷史悠久，標(biāo)準(zhǔn)化程度高，使用簡(jiǎn)單可靠，一般無(wú)特殊要求時(shí)無(wú)須標(biāo)定等特點(diǎn)。由此可見(jiàn)，盡管超 聲波流量計(jì)己?jiǎn)柺溃荒芷鸬窖a(bǔ)充作用，不可能完全替代孔板。在今后相當(dāng)長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)，由于種種因素的制約，特別是標(biāo)定不能獲得妥善解決之前，孔板流量計(jì) 仍是天然氣計(jì)量主要手段之一。

四、定期標(biāo)定問(wèn)題

任何一種新型流量計(jì)要獲得工業(yè)化應(yīng)用和認(rèn)可都要?dú)v經(jīng)一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程，這因?yàn)槿藗円环矫鎸?duì)它的認(rèn)識(shí)要 有過(guò)程，另一方面流量計(jì)本身與應(yīng)用中所暴露出來(lái)的問(wèn)題，要得到滿意的解決也要有過(guò)程。從超聲波流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理來(lái)看，這種速度型流量?jī)x表可以實(shí)現(xiàn)" 干標(biāo)"(即是靜態(tài)標(biāo)定)。這是因?yàn)榱髁坑?jì)腔體幾何尺寸D和聲道長(zhǎng)度尺寸L和X值(X代表傳感器間的軸向長(zhǎng)度)，利用目前的測(cè)量技術(shù)及手段，幾何尺寸是可以 獲得準(zhǔn)確測(cè)定。如果電子電路和傳感器的性能獲得準(zhǔn)確測(cè)量，傳感器組件的電氣特性穩(wěn)定并具有可互換性，那么"干標(biāo)"就可獲得實(shí)際的應(yīng)用。然而，目前仍沒(méi)有足 夠技術(shù)措施和理由來(lái)證明這一點(diǎn)，也就是未就"干標(biāo)"達(dá)成共識(shí)。當(dāng)前，在北美、南美、歐洲，對(duì)貿(mào)易計(jì)量的超聲波流量計(jì)供需雙方都要求有足夠的測(cè)量準(zhǔn)確度，基 于合同雙方這一要求，可信賴辦法還是要?jiǎng)討B(tài)標(biāo)定。對(duì)于口徑較小的氣體超聲波流量計(jì)， D_N<300mm等于利用目前國(guó)內(nèi)外已建標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行標(biāo)定已可以辦到；對(duì)于口徑大于D_N300mm， 高壓大流量標(biāo)準(zhǔn)裝置目前還很難辦到。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，將流量計(jì)從現(xiàn)場(chǎng)卸下來(lái)運(yùn)到標(biāo)定中心去標(biāo)定，對(duì)于用戶來(lái)講是一種極大的負(fù)擔(dān)，而且每標(biāo)定一次費(fèi)用是 相當(dāng)高的，相比之下大口徑流量計(jì)其費(fèi)用占有更高百分比。從制造廠角度來(lái)看，為了使流量計(jì)的測(cè)量誤差或系統(tǒng)誤差達(dá)到小，為了滿足準(zhǔn)確度，出廠前要進(jìn)行標(biāo) 定，這將產(chǎn)生附加的產(chǎn)品成本。由于管徑、壓力、投資及標(biāo)定系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用等多方面原因和所需考慮的條件，目前世界上很難找到有幾套裝置能標(biāo)定D_N300mm以上的超聲波氣體流量計(jì)。這無(wú)疑將制約大口徑氣體超聲波流量計(jì)的應(yīng)用和中小口徑氣體超聲波流量計(jì)的**使用。鑒于這一情況，在選用氣體超聲波流量計(jì)時(shí)一定要權(quán)衡利弊，特別是要考慮到流量計(jì)定期標(biāo)定問(wèn)題。

"干標(biāo)"與實(shí)流標(biāo)定不同，它不是利用標(biāo)準(zhǔn)表或裝置來(lái)檢查所用流量計(jì)的結(jié)果。為了解決標(biāo)定問(wèn)題，為流量計(jì)**使用鋪平道路，國(guó)內(nèi)超聲波流量計(jì)制造廠家致力于"干標(biāo)"法的研究。目前，一般產(chǎn)品出廠前無(wú)特別要求都是采用"干標(biāo)"法，主要包括：

①流量計(jì)幾何尺寸的檢定。為保證流量計(jì)的準(zhǔn)確度，聲道長(zhǎng)度L和聲道與管軸間夾角是非常重要的參數(shù)，準(zhǔn)確控制測(cè)量公差將改善準(zhǔn)確度，這一點(diǎn)在目前條件下是可以采用高性能設(shè)備獲得。準(zhǔn)確的幾何尺寸是提供電子線路組態(tài)的基礎(chǔ)。

②電子線路與傳感器性能測(cè)試。一方面是檢測(cè)其性能指標(biāo)是否符合設(shè)計(jì)規(guī)定要求，更重要是復(fù)核其性能指標(biāo)穩(wěn)定性，即電子部分的穩(wěn)定度是否滿足要求。電子線路和傳感器性能穩(wěn)定度是超聲波流量計(jì)實(shí)現(xiàn)"干標(biāo)"和傳感器具有良好互換性的關(guān)鍵。這也是目前能否實(shí)現(xiàn)"干標(biāo)"的關(guān)鍵。

③零流量檢查。當(dāng)沒(méi)有流量時(shí)，流量計(jì)的示值應(yīng)當(dāng)為零，而且應(yīng)當(dāng)有良好的重復(fù)性。

④聲速/聲程標(biāo)定，當(dāng)氣體的溫度、壓力和氣體組分保持不變時(shí)，不管流量多少，聲速將是恒定值。為了獲 得準(zhǔn)確的聲速值，流量計(jì)用一種帶恒壓和己知組分的氣體。在目前條件下，一般要按用戶提供組分進(jìn)行這一標(biāo)定是很困難，能辦到費(fèi)用也很高，況且一般用戶在實(shí)際 使用流量計(jì)時(shí)組分是有變化的。為此，一般采用諸如純N₂氣(99.995%)作為試驗(yàn)介質(zhì)來(lái)進(jìn)行這一工作。研究和試驗(yàn)介質(zhì)壓力、溫度及組分變化給聲速帶來(lái)影響和修正是十分必要的。

從近年的發(fā)展看，氣體超聲波流量計(jì)具有從理論上無(wú)需進(jìn)行流量標(biāo)定、與檢測(cè)介質(zhì)無(wú)關(guān)等無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)， 但是還要實(shí)際驗(yàn)證，現(xiàn)正逐步走向?qū)嵱没?。?guó)內(nèi)一些**儀表公司都已批量生產(chǎn)，包括用于主管道的大口徑流量計(jì)和家用燃?xì)獗硪呀?jīng)積累了相當(dāng)多的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，其價(jià) 格將逐步降低，可以預(yù)測(cè)它將占有較大的市場(chǎng)。隨著我國(guó)天然氣工業(yè)的高速發(fā)展，超聲波流量計(jì)在天然氣工業(yè)領(lǐng)域中預(yù)計(jì)有巨大的應(yīng)用前景。

超聲流量計(jì)的工業(yè)應(yīng)用已有約40年歷史，以前主要是在液體方面的應(yīng)用，由于氣體聲能衰減較大，在氣體 方面的應(yīng)用遇到很大困難。80年代以來(lái)，由于高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和的壓電陶瓷技術(shù)的發(fā)展，使氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣技術(shù)有突破性進(jìn)展，近年來(lái)，它 的研發(fā)呈加速發(fā)展之勢(shì)。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO發(fā)布ISO/TR 12765《用時(shí)間傳播法超聲流量計(jì)測(cè)量封閉管道內(nèi)的流體流量》，美國(guó)1998年頒布了AGA NO.9《用多聲道超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》總結(jié)了階段成果，目前澳大利亞和歐洲各國(guó)正在進(jìn)行制定國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)備工作。

與孔板、渦輪流量計(jì)相比，氣體超聲流量計(jì)確實(shí)還很年輕，許多實(shí)用問(wèn)題仍在探索中，但是它的潛力，優(yōu)勢(shì)卻是明顯的，近年建成的世界大容量的天然氣實(shí)流校驗(yàn)裝置(加拿大TCC裝置)甚至采用它作為輔助標(biāo)準(zhǔn)表。當(dāng)然，它還僅是氣體渦輪流量計(jì)的副手。

氣體超聲流量計(jì)有以下幾個(gè)特點(diǎn)引起人們的重視：

(1)提出解決流體流動(dòng)特性對(duì)流量計(jì)特性影響的新方法

推理式流量計(jì)的特性受流體流動(dòng)特性的影響，是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量附加誤差增加的一個(gè)主要原因，它是此類(lèi)流量計(jì)試 驗(yàn)研究的主題之一。但是由于現(xiàn)場(chǎng)阻流件類(lèi)型的復(fù)雜性，流速廓形畸變，旋轉(zhuǎn)流以及脈動(dòng)流等類(lèi)型千變?nèi)f化，孔板流量計(jì)花了數(shù)十年時(shí)間，耗費(fèi)大量人力、物力進(jìn)行 試驗(yàn)，其成果仍不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要，其他類(lèi)型流量計(jì)的研究試驗(yàn)仍在大力進(jìn)行中。近年出現(xiàn)的多聲道氣體超聲流量計(jì)，它利用多聲道構(gòu)建層析網(wǎng)絡(luò)，然后應(yīng)用計(jì)算 機(jī)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償取得良好效果，這是一種應(yīng)用軟測(cè)量技術(shù)解決問(wèn)題的方法，它與孔板流量計(jì)等采用對(duì)號(hào)入座式對(duì)阻流件逐個(gè)試驗(yàn)的方法無(wú)疑有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì) 性。

(2)流量計(jì)的干標(biāo)技術(shù)

流量計(jì)可實(shí)施干校(無(wú)須實(shí)流校驗(yàn))是儀表性的標(biāo)志，所有類(lèi)型流量計(jì)都在追求實(shí)行干標(biāo)，但是并非全 部流量計(jì)皆可實(shí)現(xiàn)。干標(biāo)給儀表制造廠和用戶帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)利益，尤其是用戶可解除其后顧之憂，試想，一臺(tái)高壓大口徑流量計(jì)需定期實(shí)行實(shí)流校驗(yàn)，其麻煩是很 大的。超聲流量計(jì)由于其本身工作原理的特點(diǎn)，實(shí)行干標(biāo)獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，初步研究表明，氣體超聲流量計(jì)實(shí)行干標(biāo)是完全可能的，對(duì)于時(shí)間傳播法，它可由時(shí)間和長(zhǎng)度二 個(gè)參數(shù)進(jìn)行干標(biāo)，求得流量計(jì)的儀表系數(shù)。

(3)流量計(jì)的計(jì)量溯源性

由于流量參數(shù)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，儀表準(zhǔn)確度存在較大問(wèn)題之一是計(jì)量溯源性。至今國(guó)內(nèi)上還沒(méi)有公認(rèn)的流量量值 的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)，流量量值的統(tǒng)一采用裝置比對(duì)實(shí)現(xiàn)。流量量值的原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是一座流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，在裝置上把各基本量(長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間及溫度)綜合為導(dǎo)出量——流 量，然后把流量量值傳遞給一臺(tái)或一組流量汁，稱為傳遞標(biāo)準(zhǔn)(流量量值的載體)，借助傳遞標(biāo)準(zhǔn)把量值傳遞到工作儀表。由此可見(jiàn)，原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)是一種固定裝置，其 特點(diǎn)與流量計(jì)有較大差別，不僅標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有移動(dòng)性，它亦無(wú)法實(shí)際反映流量參數(shù)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。如果能夠在一臺(tái)流量計(jì)上把基本量綜合為導(dǎo)出量，它將是一臺(tái)原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。 時(shí)間傳播法超聲流量計(jì)的流量方程主要由三個(gè)基本量組成：時(shí)間和長(zhǎng)度?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)上有些專(zhuān)家已注意到這個(gè)特點(diǎn)，認(rèn)為超聲流量計(jì)存在成為原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的可能，如果這 可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，則流量測(cè)量技術(shù)將產(chǎn)生新型的變化。

主要優(yōu)點(diǎn)：
①無(wú)阻礙物，無(wú)可動(dòng)部件，壓損小，無(wú)示值凜移現(xiàn)象；
②量程比寬(40：1~200 ：1)；
③不受氣體壓力、溫度或組分變化的影響；
④不受氣體中固體顆粒和液滴的影響；
⑤重復(fù)性好，準(zhǔn)確度高，線性好(采用了分布合理的多反射并將聲程加長(zhǎng)的技術(shù))；
⑤有強(qiáng)大的自檢測(cè)與自診斷功能(超聲換能器發(fā)射功率自動(dòng)增益控制，測(cè)量有效性及采樣百分比監(jiān)測(cè)功能)；
⑦全數(shù)字式計(jì)量系統(tǒng)，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信；
?超聲換能器可正常工作在O.lMPa(表壓)至15MPa(表壓)的壓力范圍內(nèi)；
⑨采用單反射和雙反射與普通傳統(tǒng)聲道的超聲流量計(jì)相比聲道長(zhǎng)度大了6倍，使測(cè)量誤差減少一半以上；
⑩的聲道布置合理，可形成密閉的超聲層析網(wǎng)絡(luò)，相對(duì)于管軸線是**軸對(duì)稱的，不受安裝方位，速度分布和渦流的影響；
（11）維護(hù)簡(jiǎn)單，可帶壓更換超聲換能器；
（12）可精確測(cè)量雙向流和脈動(dòng)流；
氣體超聲流量計(jì)的應(yīng)用場(chǎng)合：
①貿(mào)易輸送計(jì)量；
②地下儲(chǔ)氣庫(kù)(雙向計(jì)量)；
③氣體壓縮機(jī)控制，氣體處理廠，計(jì)量和調(diào)壓站，過(guò)程工業(yè)中高價(jià)值氣體的計(jì)量和火電廠耗氣量計(jì)量等一般流量計(jì)量或檢測(cè)場(chǎng)合；
④作為常規(guī)貿(mào)易計(jì)量?jī)x表的檢定標(biāo)準(zhǔn)表。
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