超声波流量计的测流原理及其应用
正 文：1引言
近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，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计已相继出现，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首选工具。
2 超声波流量计的测量原理
超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。
2.1 时差法测量原理
时差法测量流体流量的原理如图1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。
图1 超声波流量计测流原理图设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角，换能器的距离为L。从P1到P2顺流发射时，声波传播时间t1为： 从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间t2为： 一般c>>v，则时差为： 单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。大型渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化也较大，须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值，见图2。应用公式(5)、(6)可测得流量Q。 以上各式中：d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离，为声道数，S为两声道之间的过水断面面积。
图2 多声道超声波流量计测流原理图2.2多普勒法测量原理
多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射 的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。
图3 多普勒超声波流量计测流原理图当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时，颗粒接收到的声波频率f1为： 因此，声波接收器和发生器间的多普勒频移Δf为： 以上各式中：θ为声波方向与流体流速v之间的夹角，f0为声源的初始声波频率，c为声源在介质中的传播速度。若c>>vcosθ则 式(11)、(12)是按单个颗粒考虑时，测得的流体流速和流量。但对于实际含有大量粒群的水流，则应对所有频移信号进行统计处理。超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，见图4。换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。
平均多普勒频移Δ-f可以表示为： 式中Δ-f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；
ΣNi——产生多普勒频移Δfi的粒子数；
Δfi——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。
由上可知，该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流速的部位，才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。
图4 多普勒信息窗示意图3超声波流量计的分类
3.1 根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计
单声道超声波流量计是在被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。多声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠。
3.2 根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计
管道流量计一般是指用于有压管道的流量计，其中也包括有压的各种形状断面的涵洞，这种流量计一般是通过一个或多个声道测量流体中的流速，然后求得流量。用于管渠的超声波流量计除了要具有测流速的换能器以外，还需要有测水位的换能器，根据测得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量计一般含有多个测速换能器(由声道数决定)和一个测水位换能器。多数河流超声波流量计仅测流速和水位，而河流的过水流量由用户根据河床断面进行计算。
4 应用研究
结合国家大型灌区信息化建设的研究内容，作者在昌乐县高崖水库灌区的北干渠上布设了4处监测站：其中徐家庙监测站渠底宽7.0m，水深1.0～2.0m，采用5声道明渠超声波流量计监测，见图5。山秦监测站将一段明渠改造为有压管道输水，管径是1.4m，采用单声道管道超声波流量计监测，见图6。在日照水库灌区总干渠上布设了6个测站，其中石咀监测站渠宽4m，水深1.5～2m，采用了多普勒超声波流量计进行监测，见图7。
图7 石咀测站多普勒超声波流量计示意图各测站采用高精度流速仪对所测的瞬时流量进行对比分析。通过比较和个别参数修订，各测站测出的瞬时流量稳定可靠，与流速仪测出的数据有很高的一致性。
5 结束语
超声波测流技术以其测量精度高、实时性好的特点越来越得到重视。但因其价格高、专业性强、维护管理要求高使其应用推广较慢。随着国家对水利投入的加大和节水型社会的建设，该技术设备将很快成为主要测流手段而得到广泛的应用。
近几年来，随着电子技术、数字技术和声楔材料等技术的发展，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计已相继出现，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首选工具。
2 超声波流量计的测量原理
超声波流量计常用的测量方法为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法。其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量。
2.1 时差法测量原理
时差法测量流体流量的原理如图1所示。它利用声波在流体中传播时因流体流动方向不同而传播速度不同的特点,测量它的顺流传播时间t1和逆流传播时间t2的差值,从而计算流体流动的速度和流量。
图1 超声波流量计测流原理图设静止流体中声速为c，流体流动速度为v，把一组换能器P1、P2与管渠轴线安装成θ角，换能器的距离为L。从P1到P2顺流发射时，声波传播时间t1为： 从P2到P1逆流发射时，声波的传播时间t2为： 一般c>>v，则时差为： 单声道测试系统只适用于小型渠道水位和流速变化不大的场合。大型渠道水面宽、水深大，其流速纵横变化也较大，须采用多声道超声波测流才能获得准确的流量值，见图2。应用公式(5)、(6)可测得流量Q。 以上各式中：d为垂直于水流方向上两换能器之间水平投影的距离，为声道数，S为两声道之间的过水断面面积。
图2 多声道超声波流量计测流原理图2.2多普勒法测量原理
多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。超声波发生器为一固定声源，随流体以同速度运动的固体颗粒与声源有相对运动，该固体颗粒可把入射 的超声波反射回接收器。入射声波与反射声波之间的频率差就是由于流体中固体颗粒运动而产生的声波多普勒频移。由于这个频率差正比于流体流速，所以通过测量频率差就可以求得流速，进而可以得到流体流量，如图3。
图3 多普勒超声波流量计测流原理图当随流体以速度v运动的颗粒流向声波发生器时，颗粒接收到的声波频率f1为： 因此，声波接收器和发生器间的多普勒频移Δf为： 以上各式中：θ为声波方向与流体流速v之间的夹角，f0为声源的初始声波频率，c为声源在介质中的传播速度。若c>>vcosθ则 式(11)、(12)是按单个颗粒考虑时，测得的流体流速和流量。但对于实际含有大量粒群的水流，则应对所有频移信号进行统计处理。超声波多普勒流量计的换能器通常采用收发一体结构，见图4。换能器接收到的反射信号只能是发生器和接收器的两个指向性波束重叠区域内颗粒的反射波，这个重叠区域称为多普勒信号的信息窗。换能器所收到的信号就是由信息窗中所有流动悬浮颗粒的反射波的叠加，即信息窗内多普勒频移为反射波叠加的平均值。
平均多普勒频移Δ-f可以表示为： 式中Δ-f——信息窗内所有反射粒子的多普勒频移的平均值；
ΣNi——产生多普勒频移Δfi的粒子数；
Δfi——任一个悬浮粒子产生的多普勒频移。
由上可知，该流量计测得的多普勒频移信号仅反映了信息窗区域内的流体速度，因此要求信息窗应位于管渠内接近平均流速的部位，才能使其测量值反映管渠内流体的平均流速。
图4 多普勒信息窗示意图3超声波流量计的分类
3.1 根据超声波声道结构类型可分为单声道和多声道超声波流量计
单声道超声波流量计是在被测管道或渠道上安装一对换能器构成一个超声波通道，应用比较多的换能器是外夹式和插入式。单声道超声波流量计结构简单、使用方便，但这种流量计对流态分布变化适应性差，测量精度不易控制，一般用于中小口径管道和对测量精度要求不高的渠道。多声道超声波是在被测管道或渠道上安装多对超声波换能器构成多个超声波通道，综合各声道测量结果求出流量。与单声道超声波流量计相比，多声道流量计对流态分布变化适应能力强，测量精度高，可用于大口径管道和流态分布复杂的管渠。
3.2 根据超声波流量计适用的流道不同可分为管道流量计、管渠流量计和河流流量计
管道流量计一般是指用于有压管道的流量计，其中也包括有压的各种形状断面的涵洞，这种流量计一般是通过一个或多个声道测量流体中的流速，然后求得流量。用于管渠的超声波流量计除了要具有测流速的换能器以外，还需要有测水位的换能器，根据测得的流速和水位求得流量。用于管渠的流量计一般含有多个测速换能器(由声道数决定)和一个测水位换能器。多数河流超声波流量计仅测流速和水位，而河流的过水流量由用户根据河床断面进行计算。
4 应用研究
结合国家大型灌区信息化建设的研究内容，作者在昌乐县高崖水库灌区的北干渠上布设了4处监测站：其中徐家庙监测站渠底宽7.0m，水深1.0～2.0m，采用5声道明渠超声波流量计监测，见图5。山秦监测站将一段明渠改造为有压管道输水，管径是1.4m，采用单声道管道超声波流量计监测，见图6。在日照水库灌区总干渠上布设了6个测站，其中石咀监测站渠宽4m，水深1.5～2m，采用了多普勒超声波流量计进行监测，见图7。
图7 石咀测站多普勒超声波流量计示意图各测站采用高精度流速仪对所测的瞬时流量进行对比分析。通过比较和个别参数修订，各测站测出的瞬时流量稳定可靠，与流速仪测出的数据有很高的一致性。
5 结束语
超声波测流技术以其测量精度高、实时性好的特点越来越得到重视。但因其价格高、专业性强、维护管理要求高使其应用推广较慢。随着国家对水利投入的加大和节水型社会的建设，该技术设备将很快成为主要测流手段而得到广泛的应用。
