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技術文章
超聲波流量計近百年來的成長歷史
閱讀次數：5031 發布時間：2019/7/25 9:33:01
超聲波流量計近百年來的成長歷史
（1）1928 年德國人研制成功第一臺超聲波流量計，并取得了專利。至今超聲波流量計已有80 年歷史
（2）1955 年首先應用于馬克森（MAXSON）流量計測量航空燃燒油，這是一種基于聲循環法的兩組探頭（換能器）組成的液體流量計
（3）1958 年A.L.H-ERDRICH 等人發明折射式探頭，由于他們的研究可進一步消除由于管壁的交混回響所產生的相位失真，也為管外夾裝提供了理論依據。進入20 世紀七十年代以后，由于集成電路和鎖相環路技術的發展，使超聲波流量計得以克服以前的精確度不高，響應慢，穩定性與可靠性差等致命弱點，使實用的超聲波流量計得以發展。
近20 年來特別是近10 年來，基于高速數字信號的處理技術與微處理技術的快速發展，基于新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置與流量動力學的研究，超聲流量測量技術取得了長足進展，顯示了強勁的技術優勢，發展勢頭迅猛。2000 年在巴西召開的國際流量測量學術會議（FLOMEK-O‘2000）上共宣讀學術論文集103 篇，其中直接涉及超聲波流量計及超聲波技術的論文20 篇，約占論文總數的1/5。在歷次國際流量學術會議上，采用超聲波流量計作為傳遞標準的文獻愈來愈多，可見超聲波流量計其潛在的巨大的生命力。
1.1、超聲波流量計的構成：
目前市場上使用較多的超聲波流量計主要有多普勒式和時差式, 二者都是借助于超聲波的聲學特征, 采用先進的處理技術進行超聲波信號的處理, 但是二者的工作原理與應用環境等存在較大的差異, 應該結合水利工程的實際情況進行選擇, 簸箕李灌區就采用了時差式超聲波流量計。就時差式超聲波流量計而言, 主要有主機、超聲波換能器和水位換能器組成。
1.2、超聲波流量計的工作方式：
超聲波流速換能器浸于水中, 測量的水流條件和測量精度決定了換能器聲路數量。IEC41相關規程中規定了聲路數一般為二、四、八聲路。如UF-911, 運行時, 流量的測量通過流速與水位的測量來實現, 通過多聲道測流速加權積分的測流技術, 實現了流速測量, 改變了傳統對聲道平均流速測量的弊端。其基本流程為:流速換能器在接收到主機發出的震動超聲波信號以后, 通過對超聲波順流與逆流傳播時間差的確定來實現對流速的測量;水位換能器發射超聲波的發出與返回來確定水深;最后, 渠道矩陣面積計算, 借助于流量儀器, 可以極快地測算流量。但是實際操作中, 超聲波流量計型號會對測量的精度產生嚴重的影響, 因此, 必須考慮被測地的實際情況來進行選擇。
1.3、超聲波流量計測量原理：
時差超聲波流量計在進行流量測量時, 兩探頭分別位于被測管道或明渠的上、下游, 小口徑管道與大口徑管道的安裝方式不同, 前者安裝于管道一側, V形方式, 而后者安裝于管道兩側, Z形方式。兩個探頭都可以接收與發射超聲波信號, 再加上液體流速會對從上游到下游探頭發出的聲速產生影響, 使得聲速極大增加。時差法超聲波流量計通過對超聲波信號在順流與逆流之間傳播速度的時間差值來進行流量的計算, 工作流程如下:根據超聲波信號在順流與逆流之間的傳播速度時間差測量水的流速, 再根據斷面面積進行流量計算, 如圖1所示。
管道兩側的超聲波換能器A與B, 當一個作為發射換能器時, 相對的, 另一個作為接收換能器。uT、Td為順流和逆流傳播時間, α為流速與超聲波路徑夾角, 聲路長L, 管道面積為S。那么斷面瞬時流量為:
2、超聲波測流技術的關鍵點：
2.1、超聲波傳播時間的檢測技術：
超聲波傳播速度極快, 達到了1457m/s, 因此, 超聲波在管道內的傳播速度很短, 因此, 使得超聲波在順流與逆流傳播時間上的差值更小, 因此, 對于測量精度的技術性以及時間分別率要求極高。目前, 多采用高速集成電路的數學模式, 有效實現了時間差分辨率的提高, 提高了測量的精確性。
圖1 時差法超聲流量計原理圖 下載原圖
2.2、聲波的分辨與檢測技術：
由于測量利用的是超聲波在水中的傳播來進行測量的, 液體中的傳播受到材質、流速等多方面因素的影響, 受到管道材質影響, 超聲波信號的傳播會受到干擾而減弱, 另外, 現場管道噪聲與變頻設備等都會對信號傳播產生干擾, 因此, 對聲波的分辨與檢測是關鍵的技術。近年來多使用UF-911超聲波流量計進行流速的測量, 克服了弊端, 設置了流體對超聲波的調制函數, 使得超聲波信號受其他因素的干擾較小, 提高了流量計測量的可靠性與穩定性。
2.3、超聲波換能器的粘接劑材料技術：
傳統超聲波流量計換能器的材料多為塑料, 性能的穩定性差, 且使用壽命有限。近年來, 材料技術的發展使得多使用鋼化陶瓷作為換能器材料, 具有極強的抗磨損與抗腐蝕性能, 用金屬合金粉末進行粘結劑材料, 提高了設備的整體性能, 保證了使用壽命。
3、超聲波測流技術在大型水利工程中的應用：
3.1、設備選型：
大型水利工程項目中, 多采用明渠結合倒虹吸和渡槽自流的方式進行輸水, 水流在進入平水位后, 通過泵站的加壓, 進行PCCP管道與暗涵輸水, 通過這種輸水過程, 有效實現對渠道水位和流量的控制。與此同時, 為了實現對整體渠道水流的控制, 可以通過設置一定數量的節制閘來進行渠道分段, 通過對每個渠段水流的控制來實現整體水流控制。代行水利工程在進行流量測量時, 多選用時差式超聲波流量計來進行測量, 在測量過程中, 需要設置引水流道水工結構形式進行測量, 一般多為明渠與PCCP管道, 測量時, 依據整個工程流域內的全部閘門, 根據其重要性和功能要求, 分為8、4、2聲道的換能器類型, 并且如果是小管徑管道, 多使用電磁式流量計來設置分水口, 完成測量。
3.2、設備組成及技術指標：
超聲波流量計一般包括了主機、換能器、水位計與連接電纜等組成部分。流量計主機多采用單片機結構, 并通過相應的顯示屏的配置, 來進行瞬時流量、累計流量、流速、水溫等測量參數的顯示。另外, 設備的選擇還需要對防護等級、信號輸出、溫度等指標進行衡量。通過信號輸出方式, 實現測量過程中流量計測量結果與計算機、PLC設備的實時通信功能, 進而根據信號輸出, 實現對測量結果的分析。另外, 由于溫度對流量計測量也會造成影響。流量計的環境溫度為-30℃～+70℃, 工作溫度在-10℃～+50℃, 測量過程中, 應根據實際情況, 進行配套設施的選擇, 提高測量精度, 保證測量結果的有效性。
3.3、流量計的安裝與調試：
水利工程中使用超聲波測流技術實現對流速、流量的測量, 尤其要注意對超聲波流量計的安裝與調試, 一般主要包括了對換能器、主機、信號電纜、系統的安裝與調試過程。
3.3.1、換能器安裝：
主要是對安裝位置的選擇, 根據工程的實際情況, 在被測水體的渠道兩側或鋼管壁確定安裝的合適位置。位置的確定一般通過激光經緯儀進行定位確定, 尤其要注意換能器與渠道中心線的夾角問題。為了實現測量結果的精確性, 45°最佳。簸箕李灌區超聲波測流設備安裝初期就是因為安裝位置不準確, 造成流量相差較大, 后經多次精準調整才得以解決。
3.3.2、主機安裝：
主機安裝的前提是信號電纜與電源線的合理連接, 避免由于各種因素而造成的連接出錯問題, 因此, 在進行信號電纜鋪設時, 應該對連接頭進行標記, 避免連接出錯。電源安裝要保證電壓供應的穩定性, 避免較大的波動所造成的主機損壞。灌區測流設備安裝時, 初期使用的是穩定性較差、波動較大的施工電源, 使得設備運行出故障, 后期在電源的進線端增加了穩壓電源才確保了整體運行的穩定性與安全性。信號電纜與電源線正確連接完成以后, 進行流量計主機與計算機系統的串口連接, 進行測量結果有效數據的采集。
3.3.3、系統調試：
這是在整個裝置完成以后確保系統正常運行的關鍵。需要按照說明書要求, 進行相應的人機交互界面、計算機系統相關參數的設置與輸入;換能器如果全部浸沒于水中, 就必須進行超聲波流量計的自檢過程, 來進行各個聲路工作、運行情況的檢測, 可分別在靜水與動水狀態下進行檢查, 從而根據檢測結果。判斷流量計測量的精確性;根據檢測過程, 進行檢測結果輸出的檢查, 比如打印機、模擬量等輸出的檢查, 輸出正常才說明設備的無故障;最后, 進行串口與計算機系統的通信模擬, 確保實時通信功能的實現。
4、結語：
超聲波測流技術應用中, 一定要結合被測水體的實際情況, 科學使用測量設備與測量方式, 并進行流量計的正確安裝與調試, 避免測量中不利因素的干擾, 提高測量結果的可靠性與精確性, 保證結果的有效性, 以實現對測量結果的應用。
（1）1928 年德國人研制成功第一臺超聲波流量計，并取得了專利。至今超聲波流量計已有80 年歷史
（2）1955 年首先應用于馬克森（MAXSON）流量計測量航空燃燒油，這是一種基于聲循環法的兩組探頭（換能器）組成的液體流量計
（3）1958 年A.L.H-ERDRICH 等人發明折射式探頭，由于他們的研究可進一步消除由于管壁的交混回響所產生的相位失真，也為管外夾裝提供了理論依據。進入20 世紀七十年代以后，由于集成電路和鎖相環路技術的發展，使超聲波流量計得以克服以前的精確度不高，響應慢，穩定性與可靠性差等致命弱點，使實用的超聲波流量計得以發展。
近20 年來特別是近10 年來，基于高速數字信號的處理技術與微處理技術的快速發展，基于新型探頭材料與工藝的研究以及聲道配置與流量動力學的研究，超聲流量測量技術取得了長足進展，顯示了強勁的技術優勢，發展勢頭迅猛。2000 年在巴西召開的國際流量測量學術會議（FLOMEK-O‘2000）上共宣讀學術論文集103 篇，其中直接涉及超聲波流量計及超聲波技術的論文20 篇，約占論文總數的1/5。在歷次國際流量學術會議上，采用超聲波流量計作為傳遞標準的文獻愈來愈多，可見超聲波流量計其潛在的巨大的生命力。
1.1、超聲波流量計的構成：
目前市場上使用較多的超聲波流量計主要有多普勒式和時差式, 二者都是借助于超聲波的聲學特征, 采用先進的處理技術進行超聲波信號的處理, 但是二者的工作原理與應用環境等存在較大的差異, 應該結合水利工程的實際情況進行選擇, 簸箕李灌區就采用了時差式超聲波流量計。就時差式超聲波流量計而言, 主要有主機、超聲波換能器和水位換能器組成。
1.2、超聲波流量計的工作方式：
超聲波流速換能器浸于水中, 測量的水流條件和測量精度決定了換能器聲路數量。IEC41相關規程中規定了聲路數一般為二、四、八聲路。如UF-911, 運行時, 流量的測量通過流速與水位的測量來實現, 通過多聲道測流速加權積分的測流技術, 實現了流速測量, 改變了傳統對聲道平均流速測量的弊端。其基本流程為:流速換能器在接收到主機發出的震動超聲波信號以后, 通過對超聲波順流與逆流傳播時間差的確定來實現對流速的測量;水位換能器發射超聲波的發出與返回來確定水深;最后, 渠道矩陣面積計算, 借助于流量儀器, 可以極快地測算流量。但是實際操作中, 超聲波流量計型號會對測量的精度產生嚴重的影響, 因此, 必須考慮被測地的實際情況來進行選擇。
1.3、超聲波流量計測量原理：
時差超聲波流量計在進行流量測量時, 兩探頭分別位于被測管道或明渠的上、下游, 小口徑管道與大口徑管道的安裝方式不同, 前者安裝于管道一側, V形方式, 而后者安裝于管道兩側, Z形方式。兩個探頭都可以接收與發射超聲波信號, 再加上液體流速會對從上游到下游探頭發出的聲速產生影響, 使得聲速極大增加。時差法超聲波流量計通過對超聲波信號在順流與逆流之間傳播速度的時間差值來進行流量的計算, 工作流程如下:根據超聲波信號在順流與逆流之間的傳播速度時間差測量水的流速, 再根據斷面面積進行流量計算, 如圖1所示。
管道兩側的超聲波換能器A與B, 當一個作為發射換能器時, 相對的, 另一個作為接收換能器。uT、Td為順流和逆流傳播時間, α為流速與超聲波路徑夾角, 聲路長L, 管道面積為S。那么斷面瞬時流量為:
2、超聲波測流技術的關鍵點：
2.1、超聲波傳播時間的檢測技術：
超聲波傳播速度極快, 達到了1457m/s, 因此, 超聲波在管道內的傳播速度很短, 因此, 使得超聲波在順流與逆流傳播時間上的差值更小, 因此, 對于測量精度的技術性以及時間分別率要求極高。目前, 多采用高速集成電路的數學模式, 有效實現了時間差分辨率的提高, 提高了測量的精確性。
圖1 時差法超聲流量計原理圖 下載原圖
2.2、聲波的分辨與檢測技術：
由于測量利用的是超聲波在水中的傳播來進行測量的, 液體中的傳播受到材質、流速等多方面因素的影響, 受到管道材質影響, 超聲波信號的傳播會受到干擾而減弱, 另外, 現場管道噪聲與變頻設備等都會對信號傳播產生干擾, 因此, 對聲波的分辨與檢測是關鍵的技術。近年來多使用UF-911超聲波流量計進行流速的測量, 克服了弊端, 設置了流體對超聲波的調制函數, 使得超聲波信號受其他因素的干擾較小, 提高了流量計測量的可靠性與穩定性。
2.3、超聲波換能器的粘接劑材料技術：
傳統超聲波流量計換能器的材料多為塑料, 性能的穩定性差, 且使用壽命有限。近年來, 材料技術的發展使得多使用鋼化陶瓷作為換能器材料, 具有極強的抗磨損與抗腐蝕性能, 用金屬合金粉末進行粘結劑材料, 提高了設備的整體性能, 保證了使用壽命。
3、超聲波測流技術在大型水利工程中的應用：
3.1、設備選型：
大型水利工程項目中, 多采用明渠結合倒虹吸和渡槽自流的方式進行輸水, 水流在進入平水位后, 通過泵站的加壓, 進行PCCP管道與暗涵輸水, 通過這種輸水過程, 有效實現對渠道水位和流量的控制。與此同時, 為了實現對整體渠道水流的控制, 可以通過設置一定數量的節制閘來進行渠道分段, 通過對每個渠段水流的控制來實現整體水流控制。代行水利工程在進行流量測量時, 多選用時差式超聲波流量計來進行測量, 在測量過程中, 需要設置引水流道水工結構形式進行測量, 一般多為明渠與PCCP管道, 測量時, 依據整個工程流域內的全部閘門, 根據其重要性和功能要求, 分為8、4、2聲道的換能器類型, 并且如果是小管徑管道, 多使用電磁式流量計來設置分水口, 完成測量。
3.2、設備組成及技術指標：
超聲波流量計一般包括了主機、換能器、水位計與連接電纜等組成部分。流量計主機多采用單片機結構, 并通過相應的顯示屏的配置, 來進行瞬時流量、累計流量、流速、水溫等測量參數的顯示。另外, 設備的選擇還需要對防護等級、信號輸出、溫度等指標進行衡量。通過信號輸出方式, 實現測量過程中流量計測量結果與計算機、PLC設備的實時通信功能, 進而根據信號輸出, 實現對測量結果的分析。另外, 由于溫度對流量計測量也會造成影響。流量計的環境溫度為-30℃～+70℃, 工作溫度在-10℃～+50℃, 測量過程中, 應根據實際情況, 進行配套設施的選擇, 提高測量精度, 保證測量結果的有效性。
3.3、流量計的安裝與調試：
水利工程中使用超聲波測流技術實現對流速、流量的測量, 尤其要注意對超聲波流量計的安裝與調試, 一般主要包括了對換能器、主機、信號電纜、系統的安裝與調試過程。
3.3.1、換能器安裝：
主要是對安裝位置的選擇, 根據工程的實際情況, 在被測水體的渠道兩側或鋼管壁確定安裝的合適位置。位置的確定一般通過激光經緯儀進行定位確定, 尤其要注意換能器與渠道中心線的夾角問題。為了實現測量結果的精確性, 45°最佳。簸箕李灌區超聲波測流設備安裝初期就是因為安裝位置不準確, 造成流量相差較大, 后經多次精準調整才得以解決。
3.3.2、主機安裝：
主機安裝的前提是信號電纜與電源線的合理連接, 避免由于各種因素而造成的連接出錯問題, 因此, 在進行信號電纜鋪設時, 應該對連接頭進行標記, 避免連接出錯。電源安裝要保證電壓供應的穩定性, 避免較大的波動所造成的主機損壞。灌區測流設備安裝時, 初期使用的是穩定性較差、波動較大的施工電源, 使得設備運行出故障, 后期在電源的進線端增加了穩壓電源才確保了整體運行的穩定性與安全性。信號電纜與電源線正確連接完成以后, 進行流量計主機與計算機系統的串口連接, 進行測量結果有效數據的采集。
3.3.3、系統調試：
這是在整個裝置完成以后確保系統正常運行的關鍵。需要按照說明書要求, 進行相應的人機交互界面、計算機系統相關參數的設置與輸入;換能器如果全部浸沒于水中, 就必須進行超聲波流量計的自檢過程, 來進行各個聲路工作、運行情況的檢測, 可分別在靜水與動水狀態下進行檢查, 從而根據檢測結果。判斷流量計測量的精確性;根據檢測過程, 進行檢測結果輸出的檢查, 比如打印機、模擬量等輸出的檢查, 輸出正常才說明設備的無故障;最后, 進行串口與計算機系統的通信模擬, 確保實時通信功能的實現。
4、結語：
超聲波測流技術應用中, 一定要結合被測水體的實際情況, 科學使用測量設備與測量方式, 并進行流量計的正確安裝與調試, 避免測量中不利因素的干擾, 提高測量結果的可靠性與精確性, 保證結果的有效性, 以實現對測量結果的應用。
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