超声波流量计的组成：超声波流量计实物图如图所示，由图可知超声波流量计主要由直管段、流量传感器、温度传感器、计算仪等部分组成。

根据对信号检测的原理，超声流量计可分为传播速度差法(直接时差法、时差法、相位差法和频差法)、波束偏移法、多普勒法、互相关法、空间滤法及噪声法等。
当超声波在不均匀流体中传送时，声波会产生散射。流体与发送器间有相对运动时，发送的声波信号和被流体散射后接收到的信号之间会产生多普勒频移。多普勒频移与流体流速成正比。

按测量原理分类
封闭管道用USF按测量原理有多种，用得最多的是传播时间法和多普勒法两大类。其中时差式超声波流量计是利用声波在流体中顺流传播和逆流传播的时间差与流体流速成正比这一原理来测量流体流量的，广泛应用于江、河、水库原水测量，石化产品工艺流检测，生产过程耗水量测量等领域。
根据实际应用需要，时差式超声波流量计分为便携式时差式超声波流量计、固定式时差式超声波流量计、时差式气体超声流量计。

二、超声波流量计概述
超声波流量计是利用超声波在流体中的传播特性来测量流量的流量计,主要由安装在测量管道上的超声换能器(或换能器和测量管组成的超声流量传感器)和转换器组成。换能器和转换器之间由专用信号传输电缆连接。
按测量方法分类有,传播速度差法、多普勒法、波束偏移法、相关法、噪声法等。目前,市场上传播速度差法和多普勒法的超声波流量计应用zui为广泛。本文主要讨论传播速度差法的液体超声波流量计的使用。
超声波流量计的优点:
(1)携带、安装方便;
(2)量程比宽,不干扰流场,无压力损失,外夹装式超声波流量计可实现不断流安装测量;
(3)无可动易损部件,稳定性好;
(4)适用性强,一台流量计可用于不同管径不同流量的测量;
(5)造价基本与所测管径无关,性价比高。
缺点:
(1)要求准确知道管道参数;
(2)人为操作影响较大,对操作人员要求高;
(3)作为标准表进行现场校准或比对要及时溯源。

三、影响测量准确度的因素
超声波流量计的准确度等级一般可达到1.5级或1.0级,也有一些多声道和插入式超声波流量计准确度等级可达到0.5级。如果要在实际使用中保证超声波流量计的测量准确度,有几个重要的影响因素应引起大家的重视。根据几年来我们使用超声波流量计的经验,在影响超声波流量计测量准确度方面谈一些体会,供大家参考。
1、安装条件和使用环境
超声波流量计属于速度式流量计,它对流场有一定的要求。管道内液体必须为满管。安装时前、后直管段在一般情况下应至少满足前10D后5D的要求(若使用说明书上有具体要求,应满足说明书上要求)。若上、下游侧安装有90°弯头、T字形弯头、渐扩管、渐缩管等阻流件时,应将超声波流量计上、下游直管段延长到30D至50D。不少使用者忽视了阀门对流场的影响,认为阀门完全打开时管道内为通径对流场无影响。其实不然,无论是蝶阀还是球阀、闸阀,当其完全打开时,其内部仍然有阻流件影响流场,流场不稳定就造成了测量准确度的降低。
超声波流量计使用时应避开强电磁和声波信号的干扰。使用中我们发现在变频器旁、高压线下方、车辆密集的马路旁,都会对超声波流量计的测量准确度产生影响。
2、管道参数测量不准确
超声波流量计是利用声波信号在同一传播距离时,在顺流、逆流两个方向上有不同的传播速度,用传播速度之差与被测液体流速的关系求得流速。流量是流速与管道横截面积的乘积。若要得到准确的流量,就需要知道准确的换能器传播距离和管道横截面积,而这些数据是通过使用者人工输入管道外径、材质、壁厚、衬里及衬里厚度等参数,经流量计内部计算得出的。因此,这些参数的准确与否将直接影响到超声波流量计的测量准确度。
设计图纸或熟悉情况人员提供的管道数据都有可能出现偏差,zui可靠的方法是进行现场测量。现场测量时应选取科学的方法,首先采用具有检定证书的量具如游标卡尺等测量管道外径、壁厚。若被测管径较大无法用量具测量时,则应采用坐标纸或卷尺包裹外径的方法测量,测量时应注意管壁外涂覆层、锈蚀、焊缝等的影响。管道壁厚可以用测厚仪进行测量。
管道内若有树里,应确定其材质和厚度。使用中我们发现一些管道采用水泥砂浆衬里防腐,对声波信号的传输有较大的影响,若测量不准确会影响超声波流量计的测量准确度,甚至造成流量计无法正常工作。
3、换能器的安装
根据超声波流量计的测量原理,换能器的安装是影响测量准确度的关键因素。当采用V法安装时,两个换能器的水平位置较易保证。当采用Z法安装时,应当用坐标纸包裹管道,再沿中线对折,然后将两个换能器的水平中心对准坐标纸两端进行安装,这样可以保证换能器发射的声波信号穿过管道轴线,减小对测量准确度的影响。超声波流量计换能器安装时应避开管道顶部和底部,尽量安装在管道的水平位置,或者在与水平直径成45°角的范围内,还应注意避开焊缝。管道的顶部易积聚气体,底部易沉淀杂物,气体、杂物和焊缝都会使超声波信号发生非正常的反射,从而影响超声波流量计的测
量准确度,甚至造成流量计无法正常工作。
根据流量计计算出的安装距离安装换能器,应综合参考流量计的信号强度,测得声速值、信号质量、安装距离检査等参数将换能器安装位置调整到zui佳位置。在调整换能器时应注意不要只保证信号强度zui佳,而忽略安装距离、声速值等参数;也不要只保证安装距离而忽略其他参数。安装距离是根据使用者输入的参数计算出的理论值,若管道截面圆度不够、内壁有结垢等情况,就会使实际安装距离和理论距离出现差异。若超声波流量计测得声速值与实际声速值相差超过±2℃时,流量计测得瞬时流量值与实际流量值也会出现差异。
4、经过检定、校准的超声波流量计使用不正确
超声波流量计一般配有两副或三副换能器,每副换能器所适用的管径各不相同。因此,在实际使用中转换器与换能器的组合应当与检定、校准时相一致。例如:若用转换器配中型
换能器在DN400管径上用Ⅴ法进行检定、校准,那么在现场也必须用转换器配中型换能器在DN400管径上使用V法进行测量。若在其它管径上或配其它类型的换能器使用,都不能保证流量计的测量准确度。使用中我们发现超声波流量计配同一副换能器在不同的管径上检定、校准会得到不同的修正系数。相同类型的换能器因技术水平所限不具有互换性,也会得到不同的修正系数。另外,不同的安装方式也会得到不同的修正系数。
使用者应根据现场使用情况,将所有需要被测量的管径和使用的换能器以及采用的安装方式都要进行检定、校准。有些使用者用一副换能器在一个管径上检定、校准后得到的修正系数,用于其它所有的管径,这样往往会影响流量计的测量准确度。另外,使用者在每次测量开始前,均应检査流量计内的修正系数,保证其为经检定、校准后给出的系数。
对于插人式超声波流量计,插人深度是关键因素。我们建议使用者送检时应将现场使用的插入短管一同送检。检定、校准结束后不要拆卸换能器,应保持检定、校准时的状态不变安装在现场管道上,这样才能保证流量计的测量准确度。

四、结束语
超声波流量计在使用时受人为操作的影响较大,使用者若能在使用中注意上述几个方面的问题,将会提高它的测量准确度。超声波流量计的方便性和经济性是其它流量计无法比拟的优点,它已经得到越来越多用户的认可。

1、超声波流量计用于液态流体计量的优点
与其它种类的流量计，如电磁流量计、涡流流量计、差压流量计、质量流量计等相比较，超声波流量计具有以下优点：
(1)属非接触式测量，换能器安装在管道外壁，基本上不干扰流场，无压力损失，可以测得真实流速又不影响系统的正常运行。
(2)通用性好，在可测口径范围内，同一台流量计可测任何不同口径的管道。测量口径范围一般为0.5~5m，有的可达10m，而且造价基本与口径大小无关。
(3)适应性强，使用范围广，它几乎不受流体物理性质的限制和影响，只要是超声波能传播的流体，即使是非导电的或是高粘度的流体都能测量其流速，除用于测量水、石油等一般导声流体外，另外还可测量高温、高压、强腐蚀、非导电、易爆和放射性等导声流体。
(4)无可动部件，无磨损，使用寿命长，重量轻。
(5)灵敏度高，能检测流速的微小变化，输出特性线性范围宽。
(6)安装维修方便，不必中断流体流动，不影响生产。
(7)能进行综合测试，超声波测量装置不仅能测量流体的流速和流量，而且易于与微机及其它参数仪表(如压力、转速等)组合构成监测装置，这一独有的特点是其它测量方法难以实现的。然而，超声波流量计也存在不足之处，主要表现在低流速、小管径而温度条件、媒质物理性能和流体流动条件又很不稳定的情况下，较难得到满意的结果。

2、超声波流量计的工作原理
超声波流量计将一对换能器夹装在管道两侧。通过超声波在管道内的顺流及逆流两种方式的发射及接收，测量出各自的传播时间，得这两种时间的差△T再依据流体理论，可准确地测出管道中流体的流量。

式中θ1一超声波在换能器中的发射角;
θ2一超声波在管壁中的折射角；
θ3一超声波在流体中的折射角;
v一流体流速;
D一一管道内径
C1、C2、C3一分别为超声波在上述三种材料中传播平均线速度;超声波在换能器及管道壁中传输时间

平均面速度为:

式中K一流量修正系数，与流体雷诺数Re有关。

3、测量条件
(1)要使超声波信号通过管壁，首先的条件是管子必须是声的导体，绝大多数管是导声的，包括所有的金属、橡胶和玻璃管以及一些合成玻璃和水泥等均一性材料的管。大多数管子的护面如水泥、煤焦油、搪瓷及环氧树脂等也是导声的。为了不影响所获得的信号，只要使塑料、橡胶村垫紧贴着管子的内表面且衬面与管壁间无空气间隙即可。
(2)测量流量时必须使管子的测量段充满液体，这是使用超声波流量计所必需的条件。因为，无论管子是否充满液体，超声波流量计都是按满管状态计算流量的。
(3)正确选择安装位置，应该远离有动力、阻力的地方，如远离弯管段、三通、节流阀或泵、调节阀等部位。并且探头安装位置必须在管侧面的正侧线上，并且注意保证管表温度不能超过发射器的额定工作温度。对固定式超声波流量计而言，传感器安装位置主要考虑前后直管段的长度。对便携式超声波流量计而言，测量位置一般选在被测仪表附近。
(4)合理采用安装形式。在测量方法上应根据管径的大小选择合理的传感器安装位置，通过声波的多次折射延长声波传输距离，以便提高测量精度。
对于较大管径(50mm以上)采用图2所示安装方法。并且，在这种安装方法下信号为直接传输，无反射过程，仅一次穿过流体，所以，当流体中气体或固粒含量较多、锈层过厚、粘着表面状况较差时，也可以采用这种安装法图3所示为标准安装法，比第一种方法读数更精确。因为被测信号所要走的距离更长，在管径适中、介质纯净、无颗粒时大多数情况下采用此法。发射器为同侧安装。对于较小管径(50mm以下)可使超声波在管内折射两到三次来完成测量，如图4、5所示，通过延长信号所走距离来提高△T测量精度。

4、测量误差分析
利用超声波流量计对液体管道流量进行测量时，影响流量测量准确度的主要因素有:
(1)超声波流量计本身的误差，这部分误差由流速测量误差和时间累计误差两部分合成，是由超声波流量计生产工艺和制造精度所决定的。经计量检定机构检定后确定修正值大小和准确度等级。用户根据使用要求选用
(2)被测管段内横截面面积的误差测量δA。

式中内径D在现场无法直接测量，只能通过测量管外周长(L，单位mm)和管壁厚度(b，单位nm)，输入超声波流量计，由超声波流量计内置运算器处理。

内横截面面积的准确程度取决于管外周长和管壁厚的测量准确度。对以上两式求导，得

其中，△L=±1mm，△b=±0.1mm，将△L和△b代入(9)，得管外周长和管壁厚度的测量对管内径测量的影响为△D=0.12mm。
所以，管内横截面面积测量的相对误差为:δA=(△A/A)×100%=2(△D/D)x100%
因为△D=0.12是一个常量，由式(10)可以看出内横截面面积的测量的相对误差与管内径呈反比，随着管径的增大而减小。
若将以上两个影响流量测量准确度的主要误差综合考虑，超声波流量计测量通过圆管液体体积的总不确定度为:δ=±√δB²+δA²x100%
通过以上对超声波流量计测量误差的分析，可以知道，对于作为工作计量器具的固定式超声波流量计来说，除考虑超声波流量计本身的准确等级外，还要根据管径大小计算其测量误差。由于小管径情况下管径测量误差较大，因此不可忽视，对于作为标准表来校准其它流量仪表，除应考虑计算管径测量误差引起的流量测量误差外，其本身的准确度应小于被测误差的1/3~1/10，以保证其校验准确度。除此之外，对于超声波流量计换能器的入射角、振荡频率及安装时对上、下游直管段长度的选取也都会对测量精度有一定的影响，在应用中要根据实际需要，合理选择和安装换能器。

2.减少杂质的措施
通过进一步监测锅炉循环水，可以合理确定直管段和流量计的清洁时间。清洗超声波流量计的内壁后如果有明显的腐蚀，应重新校准。避免在清洗内部腐蚀后进一步扩大流量计的内径。另外，由于流量与内径的平方成正比，因此流量计测得的流量通常小于实际流量，这将导致流量计的负误差测量结果。作为响应，必须重新校准目前，超声流量计生产工厂配备了专门监控超声流量计性能的实际测量软件，该软件使用到实际使用过程中，可以充分了解超声流量计的工作状况，并根据参数进行相关设置。流量计的工作状态，也许会有问题。如果超声波流量计的内壁上积聚了严重的污垢，则制造商预先确定的合理范围的参数(例如接收器速率和声音通道的增大)将不符合其实际范围。此时，应根据质量监测情况进行综合分析，以判断原因。另外，当气质条件偏离时，在管道系统中许多超声波流量计彼此并联连接。为了提高整体测量精度，应尽量选择少量大口径超声波流量计进行测量。确保压力和温度测量的准确性。

3.确保压力和温度测量的准确性
在超声波流量计的实际应用中，有必要现场检查压力和温度测量值。当流量计算机中的压力和温度变送器的误差与精度等级的要求一致时，可以使用压力和温度变送器的手动操作器进行检查。一旦存在与标准要求不符的情况，必须及时提交检查校准或更换。同时，遮阳篷可以放置在压力变送器上，因此其零位不受温度变化的影响。应定期向温度变送器中添加导热油，以检查和清洁其保护罩中的杂质，以免延迟温度的传递。此外，应合理选择测量范围，以防止仪器的实际工作范围小于测量范围的10%，从而使测量误差超过仪器扩展误差极限。