超声波流量计在液体流量测量中的应用
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一流量计，传统检测方法和涡轮、孔板、电磁等流量计都需要将其传感器安装在管内，并配一段安装管，这不但不便于安装，而且会引起流体的压力损失、泄漏等问题，尤其是对有毒、有腐蚀性、易爆及带放射性介质流体的测量显得很不适应。为此在管道外就准确可靠地测量管道中流量的超声波流量计应运而生。超声波流量计以其结构简单、压力损失小、使用方便等独特优点得到了广泛的应用。
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。