超声波测流量技术

超声波测流量技术
摘要
超声波流量计是通过检测流体流动时对超声束(或超声脉冲)的作用，以测
量体积流量的仪表。文章主要讨论用传播时间法、多普勒效应法测量封闭管道
液体流量的工作原理。

1.引言
随着时代的发展，管道运输发挥着越来越多的作用，管道泄露引发的安全事故也时有发
生，这不仅使得管道运行受到制约，也使得百姓生命财产安全蒙受巨大损失。
所谓泄漏就是由于密闭的容器、管道、设备等内外两侧存在压力差,在其使用过程中,内
部介质在不允许流动的部位通过孔、毛细管等缺陷渗出、漏失或允许流动的部位流动量超过
允许量的一种现象。石油、天然气和输水管道的泄漏不仅导致了资源的损失,而且极大地污
染了环境,甚至发生火灾爆炸或水灾,严重威胁人民生命财产的安全。
而超声波测定流量的检漏是一种比较经济、方便和易于安 装维护的技术。首先,将管道
分成若干部分,每一部分都安装上超声波流量测定装置以测定这部分管道流进的和流出的体
积流量,同时测定管道温度和环境温度、声波在管道内流体的传播速度等参数。然后,根据体
积平衡原理并应用计算机软件模型处理管道各个部分所有参数的测定结果,分析和比较管道
输送中分别在泄漏时和正常运行时的参数状况,由此诊断和确定管道泄漏量和泄漏点位置。
通常,较短的处理周期表明了一个较大的泄漏点,较长的处理周期表明了一个较小的泄漏点。
超声波测定流量的检漏系统与声发射技术的管道泄漏检测系统类似,都是在管道外部安装非
破坏性的设备或器件的检漏技术。超声波测定流量的检漏系统已经成功地应用于城市供水管
道系统中的泄漏状况诊断。除此之外,还有便携式的超声波管道检漏系统,可供有经验的技术
人员佩戴超声波耳机并在现场沿着地下管道线路巡检使用,同样具有比较准确的漏点定位能
力。

2 测量原理

超声波流量计由超声波换能器、电子线路及流量显示和累积系统三部分组
成，是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表。超声波发射换能
器将电能转换为超声设能量，并将其发射到被测流体中，接收器接收到的超声波
信号，经电子线路放大并转换为代表流量的电信号供给显示和积算仪表进行显示
和积算，这样就实现了流量的检测和显示。非接触式仪表，适于测量不易接触和
观察的流体以及大管径流量。它与水位计联动可进行敞开水流的流量测量。使用
超声波流量比不用在流体中安装测量元件故不会改变流体的流动状态，不产生附
加阻力，仪表的安装及检修均可不影响生产管线运行因而是一种理想的节能型流
量计。
超声波流量计常用压电换能器。它利用压电材料的压电效应，采用适出的发
射电路把电能加到发射换能器的压电元件上，使其产生超声波振劝。超声波以某
一角度射入流体中传播，然后由接收换能器接收，并经压电元件变为电能，以便
检测。发射换能器利用压电元件的逆压电效应，而接收换能器则是利用压电效应。
超声波流量计换能器的压电元件常做成圆形薄片，沿厚度振动。薄片直径超过厚
度的10倍，以保证振动的方向性。压电元件材料多采用锆钛酸铅。为固定压电
元件，使超声波以合适的角度射入到流体中，需把元件故人声楔中，构成换能器
整体(又称探头)。声楔的材料不仅要求强度高、耐老化，而且要求超声波经声楔
后能量损失小即透射系数接近1。常用的声楔材料是有机玻璃，因为它透明，可
以观察到声楔中压电元件的组装情况。另外，某些橡胶、塑料及胶木也可作声楔
材料。封闭管道用超声波流量计按测量原理分类有：①时差法；②多普勒效应法；
③速差法；④相关法；⑤频差法。

2.1时差法
声波在流体中传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，同一
传播距离就有不同的传播时间。利用传播速度之差与被测流体流速之关系求取流
速，称之时差法。

（1） 流速方程式
如图1所示，超声波逆流从换能器1送到换能器2的传播速度c被流体流速
Vm所减慢，为：
(1)
反之，超声波顺流从换能器2传送到换能器1的传播速度则被流体流速加快，
为：

(2)
式（1）减式（2），并变换之，得

(3)
式中 L——超声波在换能器之间传播路径的长度，m;
X——传播路径的轴向分量，m;
t12、t21——从换能器1到换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间，
s；
c——超声波在静止流体中的传播速度，m/s;
Vm——流体通过换能器1、2之间声道上平均流速，m/s。
时（间）差法与频（率）差法和相差法间原理方程式的基本关系为

(4)
(5)
式中 △f——频率差；
△ φ——相位差；
f21,f12——超声波在流体中的顺流和逆流的传播频率；
f——超声波的频率。
从中可以看出，相位差法本质上和时差法是相同的，而频率与时间有时互为
倒数关系，三种方法没有本质上的差别。目前相位差法已不采用，频差法的仪表
也不多。

C (6)
式中 K——流速分布修正系数，即声道上线平均流速Vm和面平均流速vm
和平面平均流速v之比，K=vm/v；
DN－管道内径。
K是单声道通过管道中心（即管轴对称流场的最大流速处）的流速（分布）
修正系数。管道雷诺数ReD变化K值将变化，仪表范围度为10时，K值变化约
为1％；范围度为100时，K值约变化2％。流动从层流转变为紊流时，K值要
变化约30％。所以要精确测量时，必须对K值进行动态补偿。
1） 夹装式换能器仪表声道角的修正 夹装式换能器USF除了做流速分布修
正外，必要时还要做声道角变化影响的修正。根据斯那尔（Snall）定律式（7）
和图2，声道角θ随流体中声速c的变化而变化，而c又是流体温度的函数（以
水为例，见图3），因此，必须对θ角进行自动跟踪补偿，以达到温度补偿的目
的。

(7)
式中 φ0－超声在声楔中的入射角；
φ1、φ－超声在管壁、流体中的折射角；
c0、c1、c－声楔、管壁、被测流体的声速。
θ角不但受流体声速影响，还与声楔和管壁材料中的声速有关。然而因为一
般固体材料的声速变化比液体声速温度变化小一个数量级，在温度变化不大的条
件下对测量精确度的影响可以忽略不计。但是在温度变化范围大的情况下（例如
高低温换能器工作温度范围-40-200℃）就必须对声楔和管壁中声速的大幅度变
化进行修正。
2） 多声道直射式换能器仪表的流量方程式直射式换能器仪表的流量方程没有管
壁材料折射温度变化影响。多声道仪表常用高斯积分法或其他积分法计算流量。
图4是以四声道为例的原理模型，流量计算式（8）所示。

（8）
式中 DN－测量段内与声道垂直方向上的圆管平均内径或矩形管道的平均
内高；
S－高斯修正系数；
Wi－各声道高斯积分加权数；
Li－各声道长度；
Vi－各声道线平均流速；
θi－各声道声道角；
N－声道数。

3超声波量计的特点

众所周知，目前的工业流量测量普遍存在着大管径、大流量测量困难的问题，
这是因为一般流量计随着测量管径的增大会带来制造和运输上的困难，造价提
高、能损加大、安装不仅这些缺点，超声波流量计均可避免。因为各类超声波流
量计均可管外安装、非接触测流，仪表造价基本上与被测管道口径大小无关，而
其它类型的流量计随着口径增加，造价大幅度增加，故口径越大超声波流量计比
相同功能其它类型流量计的功能价格比越优越。被认为是较好的大管径流量测量
仪表，多普勒法超声波流量计可测双相介质的流量，故可用于下水道及排污水等
脏污流的测量。在发电厂中，用便携式超声波流量计测量水轮机进水量、汽轮机
循环水量等大管径流量，比过去的皮脱管流速计方便得多。超声被流量汁也可用
于气体测量。管径的适用范围从2cm到5m，从几米宽的明渠、暗渠到500m宽
的河流都可适用。

另外，超声测量仪表的流量测量准确度几乎不受被测流体温度、压力、粘度、
密度等参数的影响，又可制成非接触及便携式测量仪表，故可解决其它类型仪表
所难以测量的强腐蚀性、非导电性、放射性及易燃易爆介质的流量测量问题。另
外，鉴于非接触测量特点，再配以合理的电子线路，一台仪表可适应多种管径测
量和多种流量范围测量。超声波流量计的适应能力也是其它仪表不可比拟的。超
声波流量计具有上述一些优点因此它越来越受到重视并且向产品系列化、通用化
发展，现已制成不同声道的标准型、高温型、防爆型、湿式型仪表以适应不同介
质，不同场合和不同管道条件的流量测量。
4.总结

超声波流量计有多种形式，从精度上看其顺序为传播速度差法、多普勒，频
差法适用于辅助测量或开关的监视。典型的时差法，它得到了广泛的应用，但在
用于含有很多气泡或悬悬浊物的液体时存在着稳定度的问题。在这样的场合用多
普勒法有利，可以用来测量下水、排水、泥水等。
所有的方法都可以在不管是否有自由水面的条件下进行测量，但因为受流速
分布的影响，直管段长度在上流侧需要为10—20D，在下流侧需要为5D左右。
可是，如果进行多测量线（点）的测量的话，可以允许缩短这个直管段的长度，
在感潮部的流速分布为非恒定的情形下也可以测量。使用这些方法可以在不妨碍
流动、无压力损失的情况下进行测量，这是很大的特点。
超声波流量计的使用与液体的种类和特性无关，也可以测量气体，特别是在大流
量测量时其优点非常显著，从管道外壁可以测量管内流动液体的流量也是其他方
法所没有的特点之一。