超聲波流量測量的發(fā)展概況和研究進(jìn)程

　　1.1 超聲波流量測量發(fā)展概況

　　工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)都離不開對工質(zhì)數(shù)量的了解或?qū)Ω鞣N物質(zhì)（原料）配比的控制。為保證產(chǎn)品質(zhì)量、進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核算，對單位時(shí)間內(nèi)物料的輸送量（流量）或某段時(shí)間內(nèi)物料的總輸送量（累積流量）要精確計(jì)量和控制，并要求能及時(shí)地發(fā)出反映流量大小的信號。流量測量，不管是以計(jì)量為目的，或是用于過程控制，幾乎涉及所有的領(lǐng)域。流量測量儀表種類繁多，用超聲波來檢測流量是其中的一種重要方法。當(dāng)超聲波在流動的媒質(zhì)中傳播時(shí)，相對于固定的坐標(biāo)系統(tǒng)（比如管道中的管壁）來說，超聲波速度與其在靜止媒質(zhì)中的傳播速度有所不同，其變化值與媒質(zhì)流速有關(guān)，因此根據(jù)超聲波速度變化可以求出媒質(zhì)流速。另外也可以根據(jù)超聲波在流體中的多普勒效應(yīng)來求媒質(zhì)流速，從而根據(jù)管徑等其它已知參數(shù)計(jì)算出流體的瞬時(shí)流量和累積流量。

　　研究利用超聲波測量液體和氣體流量已經(jīng)有數(shù)十年的歷史。1928年法國的O. Rutten研制成功了世界上第一臺超聲波流量計(jì)，之后美國、意大利等國陸續(xù)有人研究，但都限于相位差法，進(jìn)展不大。1955年，應(yīng)用聲循環(huán)法的超聲波流量計(jì)首先作為航空燃料用流量計(jì)獲得成功，隨后又出現(xiàn)了基于時(shí)間差法和波束偏移法的超聲波流量計(jì)。1958年，A.L. Herdrich等人發(fā)明了折射式超聲波探頭，以消除由于管壁中聲波的交混回響而產(chǎn)生的相位失真，為換能器的管道外夾安裝提供了理論依據(jù)，超聲多普勒流量計(jì)也在這一時(shí)期誕生。1963年，超聲波流量計(jì)開始由日本的Tokyo Keiki等人引入工業(yè)應(yīng)用，但由于電子線路太復(fù)雜而未占有牢固的地位。20世紀(jì)70年代后，集成電路技術(shù)迅猛發(fā)展，高性能鎖相技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，使得實(shí)用的超聲波流量計(jì)得以迅速發(fā)展。到20世紀(jì)90年代初期日本、美國、西歐等地區(qū)超聲波流量計(jì)的銷售已占到流量儀表的4%~9%.20世紀(jì)90年代中期，超聲波流量計(jì)世界范圍的年銷售臺數(shù)約3.6萬臺，其中明渠用約占1/3，封閉管道用約占2/3，2/3中傳播時(shí)間法、多普勒法、組合法分別約占81%、13 %、6%.進(jìn)入21世紀(jì)，F(xiàn)low Research和Ducker Worldwide的研究報(bào)告指出，全球超聲波流量計(jì)（不含明渠流量計(jì)）2000年的銷售達(dá)到2.4億美元，2005年前，超聲波流量計(jì)的銷售還將以年均 15.3%的速度快速增長。

　　如今，超聲波流量計(jì)扮演著越來越重要的角色，在供水、電力、石油、化工、冶金、煤礦、環(huán)保、醫(yī)療、海洋、河流等各種計(jì)量測試中得到廣泛的應(yīng)用，并在一定范圍內(nèi)取代了傳統(tǒng)的差壓流量計(jì)和電磁流量計(jì)等設(shè)備。超聲波流量計(jì)是一個(gè)很有發(fā)展前途的方向，F(xiàn).C. Kinghorn在FLOMEKO‘1996上指出［8］，“改善現(xiàn)有的流量測量系統(tǒng)或開發(fā)新型流量測量手段將給工業(yè)界帶來巨大的效益，在這方面超聲波流量計(jì)、文丘利管流量計(jì)及層析顯像技術(shù)將會是最有發(fā)展前途的三個(gè)領(lǐng)域”，由此可見一斑。

　　超聲波流量計(jì)主要由安裝在被測管道上的超聲換能器（或由換能器測量管段組成的超聲流量傳感器），后端處理系統(tǒng)，以及連接它們的專用信號電纜組成。后端處理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上分為固定盤裝式和便攜式兩大類，以下從不同角度對超聲波流量測量方法進(jìn)行分類。

　　按測量原理分類：封閉管道用超聲波流量測量原理有5種：傳播時(shí)間法、多普勒效應(yīng)法、波束偏移法、相關(guān)法和噪聲法。

　　按被測介質(zhì)分類：有氣體用和液體用兩類。

　　按換能器安裝方式分類：有可移動安裝和固定安裝（短管式和插入式）。

　　按聲道數(shù)分類：有單聲道、雙聲道、四聲道以及多聲道等類別。

　　課題研究的超聲多普勒流量測量方法自誕生以來，已逐步發(fā)展成為超聲波流量測量的一個(gè)重要方向。超聲多普勒流量計(jì)適用于測量含有適量能反射超聲波信號的顆?；驓馀莸囊后w，如污水、工廠排放液、臟流程液、農(nóng)業(yè)用水、泥漿、礦漿、非凈燃油、原油等，除非清潔液體中引入散射體（如氣泡）或其流動擾動程度大到能獲得反射信號，通常不適用于清潔液體。

　　與差壓流量計(jì)和電磁流量計(jì)等各種傳統(tǒng)的流量測量方法相比，超聲多普勒流量測量方法具有以下顯著特點(diǎn)：

　?。?）可以將檢測元件置于管壁外而不與被測流體直接接觸，不破壞流體的流場，沒有壓力損失；

　　（2）外夾式超聲多普勒流量計(jì)的安裝、檢修均不影響管路系統(tǒng)及設(shè)備的正常運(yùn)行；

　?。?）超聲多普勒流量測量精度受流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響小；

　　（4）尤其適合替代電磁流量計(jì)來測量腐蝕性液體、高粘度液體以及非導(dǎo)電性液體的流量；

　　（5）多聲道技術(shù)可縮短要求的直管段長度而仍然能保證較高測量精度；

　?。?）可以從厚的金屬管道外側(cè)測量管內(nèi)流體的流速，無需對原有管道進(jìn)行任何加工，尤其適合應(yīng)用于大管徑、大流量場合。

　　相對傳統(tǒng)的流量計(jì)，超聲多普勒流量測量方法特點(diǎn)比較突出，適合多種工況條件和液體類型流量的測量，在工業(yè)流量測量中具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，隨著電子技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲波流量測量的技術(shù)水平有了很大提高，但研究重點(diǎn)非常明顯地集中在血流測量等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超聲波工業(yè)管道流量測量方面的研究相對較少，且主要集中于時(shí)差式流量測量（以天然氣流量測量最為突出），在多普勒方法方面的研究不多，導(dǎo)致現(xiàn)有工業(yè)管道用超聲多普勒流量計(jì)的性能普遍不高，存在以下缺點(diǎn)：

　　（1）不能判斷流速方向；

　　（2）低流速測量困難；

　?。?）動態(tài)響應(yīng)速度慢、實(shí)時(shí)性差；

　?。?）基本誤差一般為±（1%～10%）FS，重復(fù)性為0.2%～1%，相對時(shí)差式超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)、電磁流量計(jì)等其它流量計(jì)而言精度比較低。

　　這些缺點(diǎn)極大限制了超聲多普勒流量計(jì)的推廣和使用。目前超聲多普勒流量計(jì)一般只在一些特殊場合下使用，比如便攜式測量、明渠流量測量、超大管徑流量測量等。