超声波流量测量的研究进程和发展概况

工业生产和科学实验都离不开理解工质的数量或控制各种物质(原料)的比例。确保产品质量，为了经济会计，要求准确测量和控制单位时间的物料吞吐量(流量)或一段时间的物料总吞吐量(累积流量)，并及时发出反映流量大小的信号。流量测量涵盖几乎所有领域，无论是用于测量目的，还是用于流程控制。流量计多种多样，用超声波检测流量是重要的方法之一。超声波在流动介质中传播时，与固定坐标系(如管道管壁)相比，超声波速度与静止介质中的传播速度不同，变化值与介质流速相关，因此可以根据超声波速度的变化获得介质流速。您还可以根据超声波在流体中的多普勒效应找到介质流速，并根据其他已知参数(如直径)计算流体的瞬时流动和累积流动。

利用超声波测量液体和气体流动的研究有几十年的历史。1928年法国O. Rutten开发了世界上第一台超声波流量计后，仅限于美国意大利等地的相位差法，没有取得什么进展。1955年，应用声波循环法的超声波流量计首次取得成功，随后出现了基于时差法和光束偏移法的超声波流量计。1958年，a.l .赫德里等发明了折射超声探针，以消除管壁上声波交错引起的相位失真，在此期间，超声多普勒流量计也为在诞生的转换器上安装管外夹提供了理论依据。1963年，超声波流量计由日本的Tokyo Keiki等开始作为工业应用引进，但由于电子线太复杂，没有得到稳固的地位。70年代以来，集成电路技术迅速发展，高性能锁相技术的出现和应用使实用的超声波流量计迅速发展。到20世纪90年代初，日本、美国、西欧等地区的超声波流量计销量占流量计的4%至9%。20世纪90年代中期，超声波流量计全球年销售量估计约为3 . 6万台，双通道使用量约为三分之一，密闭管道使用量约为2/3、2/3的传播时间法、多普勒方法和组合法分别占81%、13%和6%，21世纪，流量计和Ducker Worldwide的研究报告显示，全球超声波流量计(开放通道流量计除外)在2000年为2 . 4亿今天，超声波流量计在供水、电力、石油、化学、冶金、煤矿、环境保护、医疗、海洋、河流等多种测量测试中得到广泛应用，在一定范围内更换现有的差压流量计和超声波流量计等设备方面发挥着越来越重要的作用。F.C. Kinghorn在flor meko' 1996 '中表示，改进现有流量测量系统或开发新的流量测量手段可以在行业中获得巨大利益。超声波流量计、文丘里流量计和断层成像技术将是三个最有前途的领域。”。

超声波流量计主要由安装在测试管道上的超声波转换器(或由转换器测量管段组成的超声波流量传感器)、后端处理系统以及连接它们的专用信号线组成。后端处理系统分为两类:结构上固定的磁盘安装和便携式，从不同的角度对超声波流量测量方法进行分类，如下所示:

根据测量原理分类:封闭管道的超声波流量测量原理有5种:传播时间法、多普勒效应法、光束偏移法、相关法和噪声法。

根据测定的介质分类:气体和液体。

转换器安装基础分类:可拆卸安装和固定安装(短管和插入)。

按通道数:有单声道、2通道、4通道和多通道类别。

主题研究的超声多普勒流量测量方法自诞生以来逐步向超声波流量测量的重要方向发展。超声波多普勒流量计适用于测量能反射超声波信号的适量粒子或气泡的液体，例如污水、工厂排放液、污秽的工艺液、农业用水、泥浆、纸浆、非纯燃料、原油等。但是，除非在干净的液体中引入散射器(例如气泡)，或者流动受到足以获得反射信号的干扰。

超声多普勒流量测量方法与差压流量计和超声波流量计等多种传统流量测量方法相比，具有以下显着特点:

(1)可将测试元素放置在管道壁外，而不与要测试的流体直接接触，不损坏流体的流场，也不损失压力。

(2)外夹式超声多普勒流量计的安装和维护不影响管道系统和设备的正常运行。

(3)超声多普勒流量测量精度很少受流体温度、压力、粘度、密度等参数影响；

(4)特别适合取代超声波流量计来测量腐蚀性液体、高粘度液体和非导电液体的流动。

(5)多通道技术缩短了所需的直线段长度，提高了测量精度。

(6)管道内的流体流速可在厚金属管道外部测量，而无需加工原始管道，尤其适用于较大的管道直径和较大的流速。相对传统的流量计，超声多普勒流量测量方法特点突出，适用于各种条件条件和液体类型流量测量，在工业流量测量中有广泛的应用前景。近年来，电子技术和信息技术的迅速发展，超声波流量测量的技术水平有了显着提高，但研究重点非常明显地集中在血流测量等医学领域，超声波工业管道流量测量的研究相对较少，主要集中在时差流量测量(天然气流量测量最为突出)的多普勒方法的研究不多，因此现有工业管道的超声波多普勒流量计

(1)无法判断流速方向。

(2)低流量测量的难点；

(3)动态响应缓慢，实时性差；

(4)基本误差通常为fs (1%至10%)，迭代性为0.2%至1%，其他流量计(如相对时差超声波流量计、质量流量计、超声波流量计等)的精度相对较低。

这些缺点极大限制了超声多普勒流量计的推广和使用。目前，超声多普勒流量计仅在特殊情况下使用，例如便携式测量、溪流流量测量、大直径流量测量等。