超聲波流量測量的發(fā)展概況和研究進(jìn)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(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(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，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(jìn)展不大。1955年，應(yīng)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(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(jìn)入21世紀(jì)，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(dá)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(yīng)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(shè)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(shù)將會是最有發(fā)展前途的三個領(lǐng)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(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粒或氣泡的液體，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(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；

　?。?）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(shè)備的正常運(yùn)行；