近年來，超聲波流量測量技術得到了很大的發展，因其具有非接觸式測量、低壓損、測量范圍寬等優點，已經被廣泛用于石油化工等行業的流量計量，特別適用于大口徑管道、非導電性流量測量。本文主要介紹了超聲波流量測量原理及多聲道時差法超聲波流量計的結構及應用。
近年來，超聲波流量測量技術得到了很大的發展，因其具有非接觸式測量、低壓損、測量范圍寬等優點，已經被廣泛用于石油化工等行業。
1.超聲波流量測量原理
超聲波流量測量是一種利用超聲波在流體中的傳播特性來進行流量測量的方法，主要有 2 種：多普勒頻移法和傳播時間法。多普勒法是利用超聲波的頻率會隨著超聲波在流體中傳播時會產生改變的特性，頻率的改變和流體的流速有一定的對應關系；傳播時間法是利用超聲波在流體中正向傳播和逆向傳播的時間差來進行流量測量的方法，此時間差與流體的流速基本上成正比的關系。本文提到的超聲波流量計所使用的方法為傳播時間法。
超聲波流量計是應用一對超聲波換能器相向交替（或同時）收發超聲波，通過觀測超聲波在介質中的順流和逆流傳播時間差來間接測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種間接測量方法 。如圖 1 所示。
其中：
L －傳播距離； D －管道內直徑； θ －管道內流體流動方向與聲道夾角； V －瞬時流速； Q －體積流量；
Tup －超聲波逆流傳播時間； Tdonw －超聲波順流傳播時間； 。
2.多聲道超聲波流量計結構
超聲波流量計根據聲道數可分為單聲道聲波流量計和多聲道超聲波流量計。單聲道超聲波流量計是由 1 對超聲波換能器構成，而多聲道超聲波流量計具有 2 對或者多于 2 對的超聲波換能器，通過精確地測量各聲道上超聲波沿水流順向與逆向傳播的時間差 , 計算出各聲道流速，并用加權積分的方法計算出流量。
超聲波換能器在管道上的位置分布影響著超聲波流量計的線性、精度和穩定性。根據流體在管道內部的流動剖面圖可知，管道內各點的流速是不同的，在管道中心線上的流速大，越靠近管壁流速減小，在靠近管壁內側流速為零。因此，安裝在管道中心線上的換能器，如圖 2 中的單聲道所示，能快速地反映管道內流體流速的變化，但是也容易受影響，導致流量測量不穩定，精度低。如圖 2 中雙聲道的超聲波流量計，換能器對稱安裝在中心線兩側（弦向聲道），能夠減小干擾，提高穩定性和精度，但是不能及時地反映流速變化。圖 2 中的三聲道安裝方式結合了單聲道和雙聲道的優勢，不僅提高了流量測量的精度和穩定性，而且能夠快速反映出流場的變化。合理選擇超聲波流量計的通道數和換能器安裝位置是非常重要的。
多聲道超聲波流量計通過增加聲道數，可有效地消除流速分布不均勻產生的影響，提高超聲波流量計的精度和穩定性，并可保證在有個別聲道損壞的情況下仍能夠進行正常測量。多聲道超聲波流量計的聲道的數目與安裝位置，以及用來計算流量的數學公式取決于過流道的形狀、大小及所需的測量精度。
3.超聲波流量計的硬件組成
3 聲道超聲波流量計硬件框圖 , 如圖 3 所示，主要由微控制器 CPU、3 對超聲波換能器、電子開關電路、超聲波發射電路、自動增益調節電路、時間測量電路、人機接口、4 ～ 20mA 輸出、RS485 通訊等組成。
多聲道切換是多聲道超聲波流量計設計中的重要組成部分。如圖 3 所示，3 個聲道的切換和選擇由 CPU 控制電子開關來實現。同時只能通 1 個聲道，采用循環的方式選通聲道。當需要測量聲道 1 的流速時，微控制器 CPU 通過控制電子開關選通聲道 1，斷開聲道 2 和聲道 3；當需要測量聲道 2 的聲速時，斷開聲道 1 和聲道 3；當需要測量聲道2 時，斷開聲道 1 和聲道 2。
當選擇好某一聲道后，要進行順向時間和逆向時間測量，然后計算出順逆向傳播時間差。若選通聲道 1，順向傳播時間測量由發射電路發射出 1MHz 的脈沖信號經過電子開關后發射到超聲波換能器 A，超聲波換能器 A 把電信號轉換成超聲波信號，換能器 B 接收到水中傳播的超聲波信號后再轉換為電信號。由于此電信號幅值很小，一般要經過自動增益調節電路調整到合適的信號幅值后再送到時間測量電路。時間測量電路把測量到的正程傳播時間傳遞給 CPU，然后 CPU 控制測量逆程傳播時間。由此得到聲道 1 的正逆向傳播時間差。依次測量出聲道 2 和聲道 3 的正逆程傳播時間差，3 個聲道可以計算出 3 個流體速度。然后根據換能器結構和安裝位置把這 3 個流體速度進行加權積分，后得到流體流速。
人機接口包括顯示模塊和鍵盤，顯示模塊可顯示出流體瞬時流量、凈累積流量、正向累積流量、反向累積流量、實時時鐘等，并可顯示歷史數據及參數菜單。按鍵用于查看菜單項和修改儀表參數。
超聲波流量計作為過程儀表，一般需要連接到控制系統中，常用的輸出方式為 4 ～ 20mA 電流方式。電流連接方式有有源輸出和無源輸出 2 種。4mA 和 20mA 對應流量值可以通過人機接口進行設置，方便用戶使用。
RS485 總線也是流量儀表常用的總線方式，RS485 只需要 2 根帶屏蔽雙絞線就可以很方便地接到系統中。系統通過 MODBUS 命令可以讀取儀表信息或者設置儀表參數。
4.多聲道超聲波流量計的應用及注意事項
多聲道超聲波流量計具有高精度和高可靠性，具有非接觸式測量、低壓損、測量范圍寬，始動流量低等優點。可測量的介質包括水、廢水、油類等均勻穩定液體，應用領域包括給水排水、石油化工、供暖發電、造紙冶金、食品醫藥等諸多行業，能滿足大部分工業現場對液體流量的準確測量與監控的需求。
超聲波流量計的種類很多，按聲道分有單聲道、多聲道；按供電方式分有交流供電型、直流供電型、電池供電型；按防護等級分有 IP68、IP67、IP65 等；按結構分有管段式、外夾式和插入式；按轉換器類型可分為一體型和分體型。因此，超聲波流量計型號的選擇要根據工業現場的具體情況選擇性價比合適的超聲波流量計。為了使超聲波流量計能夠穩定可靠地運行，在選擇安裝地點時應注意以下幾個方面的要求：
1）盡量避開變頻器設備，以免變頻器設備影響超聲波流量計的回波信號從而造成流量測量不穩定。
2）為了保證流量計流量測量的精度，要求在流量傳感器之前安裝 10D 長度的直管段、在流量傳感器之后安裝 5D 長度的直管段。在有閥門或泵的管道上安裝超聲波流量計時，為保證測量的穩定性應確保前后設置一定長度的直管段。如做不到則應采用穩流器或者減小測量點的面積。
3）超聲波傳感器內要*充滿液體，液體中固體含量 <5%, 氣體含量 <2%。如管道存在非滿管或是出口有放空狀態，傳感器應安裝在 1 根虹吸管上。
4）流量計應盡量安裝在管道的低處，以避免在流量計處聚集氣泡造成其無法測量。
5）傳感器不能安裝在泵的進水口。為避免負壓，傳感器不能安裝在泵的進水口處，而應安裝在泵的出水口。
5.結論
多聲道超聲波流量計能有效地提高流量測量的精度和穩定性，具有非接觸式測量、低壓損、測量范圍寬、始動流量低、性價比高等優點。由于通道數量的增加，可保證在單個換能器損壞的情況下仍能正常測量。多聲道超聲波流量計是超聲波流量計的發展趨勢。
