超聲波流量測量的發(fā)展概況和研究進程（一）

1.1 超聲波流量測量發(fā)展概況

　　工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗都離不開對工質數(shù)量的了解或對各種物質（原料）配比的控制。為保證產(chǎn)品質量、進行經(jīng)濟核算，對單位時間內(nèi)物料的輸送量（流量）或某段時間內(nèi)物料的總輸送量（累積流量）要精確計量和控制，并要求能及時地發(fā)出反映流量大小的信號。流量測量，不管是以計量為目的，或是用于過程控制，幾乎涉及所有的領域。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。當超聲波在流動的媒質中傳播時，相對于固定的坐標系統(tǒng)（比如管道中的管壁）來說，超聲波速度與其在靜止媒質中的傳播速度有所不同，其變化值與媒質流速有關，因此根據(jù)超聲波速度變化可以求出媒質流速。另外也可以根據(jù)超聲波在流體中的多普勒效應來求媒質流速，從而根據(jù)管徑等其它已知參數(shù)計算出流體的瞬時流量和累積流量。

　　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，之后美國、意大利等國陸續(xù)有人研究，但都限于相位差法，進展不大。1955年，應用聲循環(huán)法的超聲波流量計首先作為航空燃料用流量計獲得成功，隨后又出現(xiàn)了基于時間差法和波束偏移法的超聲波流量計。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)，超聲多普勒流量計也在這一時期誕生。1963年，超聲波流量計開始由日本的Tokyo Keiki等人引入工業(yè)應用，但由于電子線路太復雜而未占有牢固的地位。20世紀70年代后，集成電路技術迅猛發(fā)展，高性能鎖相技術的出現(xiàn)與應用，使得實用的超聲波流量計得以迅速發(fā)展。到20世紀90年代初期日本、美國、西歐等地區(qū)超聲波流量計的銷售已占到流量儀表的4%~9%.20世紀90年代中期，超聲波流量計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中傳播時間法、多普勒法、組合法分別約占81%、13 %、6%.進入21世紀，F(xiàn)low Research和Ducker Worldwide的研究報告指出，全球超聲波流量計（不含明渠流量計）2000年的銷售達到2.4億美元，2005年前，超聲波流量計的銷售還將以年均 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、河流等各種計量測試中得到廣泛的應用，并在一定范圍內(nèi)取代了傳統(tǒng)的差壓流量計和電磁流量計等設備。超聲波流量計是一個很有發(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、文丘利管流量計及層析顯像技術將會是最有發(fā)展前途的三個領域”，由此可見一斑。

　　超聲波流量計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)在結構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：傳播時間法、多普勒效應法、波束偏移法、相關法和噪聲法。

　　按被測介質分類：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重要方向。超聲多普勒流量計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。

　　與差壓流量計和電磁流量計等各種傳統(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：

　?。?）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；

　?。?）外夾式超聲多普勒流量計的安裝、檢修均不影響管路系統(tǒng)及設備的正常運行；