超声波流量计在流量计量上的应用研究
近几年来，随着电子技术，数字技术和声锲材料等技术的发展，利用超声波脉冲测量流体流量的技术发展很快。基于不同原理，适用于不同场合的各种形式的超声波流量已相继出现。其应用领域涉及到工农业，水利，水电等部门，正日趋成为测流工作的实惠工具。本文系统阐述了超声波流量计的组成，工作原理及使用范围，比较各种流量计的优缺点，并对超声波流量计误差进行了详细的分析，简略介绍了流量计的标定和应用范围，对当前的研究应用具有一定的指导作用。
本文阐述了超声波流量计常用的时差法，多普勒法的测量原理，以及超声波流量计的分类，通过实际测流应用并与流速仪所测的流量结果做了对比分析，得出超声波流量计无论在测流准确度还是测流度上都比其他的测流设备高，而且具有其他测流设备所不具备的实时在线和数据远传的优越性能。
1 .超声波流量计的原理
传递的声讯号穿过管道内流动的介质时，其传递速度受介质流动速度的影响。声讯号在 2 个传感器之间的传递时取决于管道内介质的流速。一个声讯号通过上游的时间要比它通过下游的时间长。这个时间差值 dt 与管道内介质的流速 vf 成比例。
通过多年区域计量表记录的数据发现，大多数表显示的***大流量远远小于配表的满量程值，而表的配置必须匹配调压器的流通能力，造成配的表过大，如果工况流量小于流量计的***小额定流量，流量计就计量不准确或不计量。随着近几年超声波流量计发展的日趋成熟，此次把超声波流量计应用于几个区域计量点上，试用了一段时间，通过使用数据的分析，探讨在区域计量上使用超声波流量计的可行性。这次使用的是采用重复性能优越的“传播时间差”方式，在测量管内安装一组超声传感器，同时测量彼此间的声波到时间。沿气体流动方向发出的声波会比反方向发出的声波先到达对方超声波传感器处，将这个时间差换算成流量，取到达时间的倒数差，可消去声速项并求出流速，可得知上式不受音速影响。再乘以测量管横断面积和修正系数，即可得出流量Q。
2.管道超声波流量计无信号原因
影响时差式超声波流量计计量因素很多，如换能器探头安装方式、上下游直管段长度、工艺管道参数等。为了确定出水 A 管道时差式超声波流量计出现信号中断的原因，分别从以下两方面进行检测分析。
2.1 换能器探头安装方式检测
目前换能器探头安装方式主要有 V 法和 Z 法两种安装方式，如图 1、2 所示。V 法安装，超声波信号行程增加一倍，适用于小管径，管道条件好的流量测量。Z 法安装超声波信号衰减小，适用于大管径。一般来说。D>300mm 的管道易采用 Z 法安装。
根据换能器探头安装方式，昆明市第五自来水厂出厂水管管径为 DN1000，故原采用 Z 法安装；出现信号中断的现象后，采用了 V 法安装方式进行试验，结果发现无论是哪一种安装方式，当供水机组工作时，有时会出现信号中断现象。故时差式超声波流量计出现信号中断排除安装方式原因。
2.2 上下游直管段长度检测
对于超声波流量计安装在直管段上下游长度有明确要求[1、3]：上游直管长度在 10D 以上，下游在 5D 以上，同时尽量远离泵和阀门，避免有扰动因素。因为根据时差式超声波流量计计算管道内流体流速公式：Vf=Kdt/TL，其中标定系数 K 是雷诺数的函数，当直管道不满足长度要求，流体从稳定层流过渡成紊流状态，流速分布不均匀，标定系数 K 将产生较大变化，引起测量准确度下降。并且如果在靠近三通、阀门附近（即不满足直管段长度）安装换能器探头，流体易从层流转成紊流、涡流状态，紊流、涡流的产生使流体中有一定的气体存在，由于气体亦有一定的声阻抗，使声束分散。尤其当含气量大时，将大大减小超声波信号的强度，造成信号中断。根据上述分析及现场勘测发现：昆明市第五自来水厂出水 A 管道时差式超声波流量计安装位置下游长度不满足要求，在探头安装位置下游附近管道管径由 1.0m 变为 1.2m，并且接有一根 DN200 的支管。因此在供水高峰期时，此段由于三通、阀门影响，水流易产生紊流、涡流从而产生气泡，大大减小声波信号的强度，致使时差式超声波流量计出现信号中断。通过在探头位置靠近出水泵房一侧移动 7m 挖计量井，其位置满足上下游直管段长度要求，利用便携式超声波流量计在此位置进行水流计量检验，其结果信号良好。由此说明先前探头安装直管段长度不满足要求造成信号中断。时差式超声波流量计位置见图。
3.结论
通过超声波流量计在实际区域计量中与其他形式的流量计的对比试验，得出以下结论：对比同口径的超声波流量计和涡轮流量计，超声波流量计在***小工况量程数以及低于量程用量两方面均优于涡轮流量计，更有利于计量。在用户数相同以及其他运行工况相同的条件下，与涡轮流量计对比，采用超声波流量计，可以适当进行缩径配置，仍能满足工况要求，且计量更为准确，从而达到降低成本，提高经济效益的目的。对比超声波流量计和皮膜表，在相同的工况条件下，均能准确计量，计量误差均在允许范围内，超声波流量计由于其体积小，更适合空间小的调压室。
综上所述，超声波流量计由于其有更大的量程范围等优点，应用于区域计量上是可行的，并且比涡轮流量计更适合应用于区域计量上。本文阐述了超声波流量计常用的时差法，多普勒法的测流原理，以及超声波流量计的分类。通过时际测流应用并于流速仪所测得的流速结果。