鹿晓力，路立平，胡智宏
（郑州轻工业学院，河南，郑州450002）
摘要：本文阐述了利用声波进行流量测量的原理及特点，并介绍了超声波流量计的应用及应用进展。步进梁式加热炉
关键词：流量测量；超声波流量计；应用；换能器
中图分类号：TH814 文献标识码：B
The principle and applications of supersonic flow meter
Lu Xiaoli , Lu Liping , Hu Zhihong
(Zheng zhou Institute of Light Industry , Zheng zhou 450002)
Abstract: The principle of supersonic flow meter and its features are given in the paper .And the applications and progresses of supersonic flow meter are introduced .
Key words: flow measurement ; supersonic ; flow meter ; transducer
1 概述
近年来，随着电子技术、数字技术的发展及计算机技术的普及，数据采集系统也迅速地得到应用。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。数据采集就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后再做进一步处理。
利用声波进行流量测量是通过检测流体流动对超声脉冲的作用以测量流量。超声波的显著特征是频率高，因而波长短，绕射现象小，方向性好。能够称为射线而定向传播。在液体，固体衰减小、穿透本领大，遇到杂质或分界面就会有显著的反射。超声波传感器就是利用超声波的这些显著特征在许多科学领域及工业生产中受到人们的关注。 流量是工业生产过程检测控制中的一个很重要的参数，在石油、化工、水电等部门，对液态流体流量的检测已成为生产中不可缺少的组成部分。要准确地检测流量就要依赖于有效的测试工具——流量计，超声波流量计以其结构简单、测量口径范围大（一般为0.5～5m，有的可达10m）、压力损失小、使用方便等独特优点得到了广泛的应用。
2 原理及应用
超声波测量是一种通过测定物位来测量容器储量的方法。超声波传感器自上向物料表面发送超声波脉冲，接收从表面反射回来的回波。它测定超声波的传播时间，并推算出与反射表面的距离。
传播时间是超声波传感器与物位之间距离的直观量纲。声波的传播距离是传播时间和声速的乘积。如果已知超声波传感器的位置，那么就能换算出物位（以及储量）。空气中的声速变化范围很大，因此，声波传感器需要进行温度补偿，如果用于空气以外的其他气体，就应该进行相应的标定。
2.1测量流量
在污水处理厂的流量测量仪表中，按照安装形式分类只有两种形式的流量计；管道式和明渠式。
明渠式超声波流量计应用较广。因此，笔者在这里仅就明渠流量计简单说明一下，在明渠中液体的流量与槽上某处的液位具有确定的关系，即
Q=Kbhm
式中，Q 为流量，K 为流量系数（与明渠形状有关），b 为堰口宽度，h 为液位高度，m 为指数。
对于一定形状的水槽，其中K 、b 、m 的值是一定的，因此，只要测量到液位h 就可以计算出流量。由此可见，用于明渠流量计量的超声波流量计实际上是测量液位。
乳胶片
木制花瓶
2.2测量液位
超声波液位计由于属于非接触式测量，精度较高，维护量较小，因此，在污水处理厂得到了广泛的应用。
（1）超声波液位计测量的工作原理
由图1可见，将超声波发送器/接收器置于液体上方，超声波向下发射，穿过空气介质， 在遇到水面时被反射回来，被接收器所接收。由超声波在介质中传播的原理可知，若介质压力、温度、密度、湿度等条件一定，则超声波在该介质中的传播速度是一个常数。因此，当测出超声波由发射到遇液而反射被接收所需要的时间，则可换算出超声波通过的路程。即得到了液位的数据。
（2）超声波液位计用于污水处理厂格栅的液位差控制
由于城市污水中的大量杂物，在进水泵房前都设有粗隔栅除污机。在沉沙池上都设有细隔栅除污机。污物的堵塞会使隔栅前后的水位差增加，用由双探头超声波液位计来测量该水位差，并与设定值比较。若大于设定值，输出继电器接通，启动除污机，同时，仪表还可输出液位信号、液位差信号进行远传显示，如图2所示。
（3）超声波液位计的优点
没有运动的部件，安装和维护上都有很大的优越性，它可以选气体、液体或固体作为传声介质，因而有较大的适应性，它不仅能定点和连续测量，而且能方便的进行遥测。
2.3气体测量
对超声波流量计的研究已有30年的历史，由于技术条件的限制，以前人们研究的主要是超声波液体流量计。90年代以来，随着科学技术特别是电子技术及传感器技术的发展，超声波气体流量计才日益受到人们的重视，并开始逐步走向实用化、广泛化。
气体用超声波流量计因超声波在固体与气体界面间的传播效率低，管道外夹装换能器难以经管壁传送足够的声能，目前大部分将超声波换能器伸入管道，直接向气体发射和从气体接受声波，气体超声流量计大部分是由超声流量传感器组成，但也有插入式换能器安装于待测管道的结构。
图1.测量原理
图2. 超声波液位计应用
多通道超声波速差法气体流量计采用声速差法，通过精确测量超声波沿气流顺向及逆向传播的声速差，测量各种口径管道内稳态或脉动气流的双向流速、流量。具有测量快速、对气体无流阻、无压力损失、量程宽、测量结果不受气体声速随成分、压力、温度变化的影响，对大管径及脉动气流也能进行正确测量等优点，解决了目前大口径大流量气体缺乏精确、便捷计量手段的难题。
气体流量计已应用于蒸汽、储存交接和财贸核算、住宅天然气消耗计量等各个领域并显现出其优越的实用性能，得到了各方面的认可，发展前景可观。
2.4固体应用
非接触式超声波仪器在固体料位测量中具有许多优势，它容易安装维护、成本效率高，并且能通过模拟或数字接口提供快速便捷的料位测量。由于数字信号处理能力的进步，当今的超声波装置能分析单个数据点，从而为大多数固体料位，甚至动态条件下的料位测量提供可靠的途径。
固体料位测量是需要数字信号处理与超声波技术相结合的场合，根据观察给定阈值以上的回波来决定料位，应用数字处理技术使超声波接收器能对容器中的料位状态进行快速拍照，并以图片的形式存于寄存器中，称回波曲线。一旦寄存器中得到一个回波曲线仪器就能对它进行数据处理，去伪存真，给出可靠的料位测量值。
2.5鉴别液体种类电厂余热回收
超声波流量计利用超声波在不同液体中传播速度之间有差别物性（例如石油声速为1295m/s，水为1388m/s），在测量流量的同时鉴别管道中液体的类别。例如：欧洲在船舶卸油入库常用超声波流量计测量入库流量，同时判断输送的液体是石油还是油船舱的水。
3 几个典型应用实例
进年来，随着计算机技术及现代控制技术的广泛应用，为超声波流量计在测流领域中的应用，奠定了
牢固地位。目前，超声波流量计已朝高精度、高稳定性、智能化、多功能、轻便、经济的方向发展。下面例举几个典型应用实例。
（1）英国Cranfield大学研究试图用于航空业的超声波质量流量计，它是传播时间法超声体积流量计的基础上，再利用超声测得第二参量液体阻抗和密度，演算得质量流量。原型样机水油实验表明，流量1800kg/h范围度50：1时，可获±1%的精度。
（2）天津环发电子科技开发公司生产的LDZ系列超声多普勒流量计。精确度2.0级。流速范围：0.5～10m/s，液体浓度：≥20mg/1，管道材料：铜、钢、铸铁、塑料，探头工作温度：-20℃～200℃，液晶显示，16位按键输入，4～20mA电流输出，量程可调。
（3）成都科技大学所研制的CDL-86型超声波多普勒流速仪。适用于含沙沉积浓度为0～650kg/m3的液体测量，流速范围0.2～10m/s，速度精度±2m/s，或读数的±2%，两者中取大：LED显示，自动打印结果，可进行流速分布概率统计分析。
（4）美国Polysonics公司生产的MST超声多普勒流量计。适合测量干净水至矿浆等含固体颗粒、杂质或汽泡的各种液体，适用管径ϕ10～ϕ3000，精度±2%（F.S）。
（5）德国KROHN公司生产的UFM600型夹装式超声波流量计。适应的管道材料：金属、塑料瓷、石棉、水泥等，单声道，精确度±1%～±3%，配有打印机和RS232接口。
（6）美国Panametrics公司生产的6468型超声波流量计。可选择湿式或夹装式探头。四声道，用于液体介质，管径ϕ50～ϕ5000，探头工作温度-200℃～+260℃，流速范围0.03～10m/s，仪器精度为流量值的±1%，双行20位液晶显示，20位按键输入，4～20mA电流输出。
（7）德国KRONH公司生产的UFM400型单声道，UFM500型双声道（带仪表管段）超声波流量计。公称通径DN250～DN3000，满刻度流速达18m/s，介质温度-50℃～+180℃，
精确度±1%R，由微处理器控制，易于编制所有的操作数据和参数，用户可在现场控制和编程。
（8）美国Polysonics公司生产的ISTT时差式超声波流量计。适用测量单一介质、浊度＜10,000ppm的液体，适用于管径ϕ25～ϕ1524，精确度高达流速的±0.5%。
（9）开封仪表厂引进美国西屋公司技术生产的LEFM-B型超声波流量计。用于液体介质、二声道，公称通径DN100～DN1800，基本误差±1.5%，重复性误差0.25%，4～20mA 摸拟输出以及BCD码输出，流量LED显示。
参考文献
1、李科杰主编，新编传感器技术手册。国防工业出版社2002年1月第一版，P745~828。
2、李志宾，MCS-51单片机在超声波流量计中的应用。水利采煤与管道运输，1998年1期。
3、Instrument & Equipment ,Hu Tianhao , Brief Introduce of the Ultrasonic Flow Meter.2003(4) 12:63~65
作者简介：鹿晓力：女，1960年8月出生，副教授，汉族，大学本科学历，电子工程专业，主要从事电工电子技术的教学及研究工作。工作单位：郑州轻工业学院信息控制
工程系
Brief Introduction of Author : Lu Xiaoli : female, born in 1960.8, associate professor, the Han nationality, University background, electronic engineering speciality, working on
teaching and studying of electrical engineering. Dept. of Infor. and Controlling Eng.
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